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(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】2023-06-05
(45)【発行日】2023-06-13
(54)【発明の名称】統合化されたＬＩＤＡＲ照明出力制御
(51)【国際特許分類】
G01S 7/484 20060101AFI20230606BHJP
G01S 17/10 20200101ALI20230606BHJP
【ＦＩ】
G01S7/484
G01S17/10
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019553816
(86)(22)【出願日】2018-03-30
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-05-28
(86)【国際出願番号】 US2018025395
(87)【国際公開番号】W WO2018183843
(87)【国際公開日】2018-10-04
【審査請求日】2021-03-30
(31)【優先権主張番号】62/480,119
(32)【優先日】2017-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/941,302
(32)【優先日】2018-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【早期審査対象出願】
(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】110003579
【氏名又は名称】弁理士法人山崎国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100173978
【弁理士】
【氏名又は名称】朴 志恩
(74)【代理人】
【識別番号】100118647
【弁理士】
【氏名又は名称】赤松 利昭
(74)【代理人】
【識別番号】100123892
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 忠雄
(74)【代理人】
【識別番号】100169993
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 千裕
(74)【代理人】
【識別番号】100071010
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 行造
(72)【発明者】
【氏名】ホール、デイヴィッド エス
(72)【発明者】
【氏名】リウ、レイモンド
(72)【発明者】
【氏名】ミルグローム、オーレン
(72)【発明者】
【氏名】ドゥミトリアン、マリウス
【審査官】山下 雅人
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－１０２０００（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２５８６９５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１８７５２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１６４９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２２１４５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３１６４９４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１０６６５０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１
Ｇ０１Ｓ１７／００ －１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／０８ － ３／１０
Ｈ０１Ｓ ５／０２６
Ｈ０１Ｌ３３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
統合ＬＩＤＡＲ測定装置であって、
プリント回路基板に取り付けられた照明源と、
前記プリント回路基板に取り付けられ、省電力制御モジュールを具備する窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの照明ドライバ集積回路（ＩＣ）であって、前記照明ドライバＩＣは、前記照明源及び第１の電源に電気的に接続され、前記照明ドライバＩＣは、パルストリガー信号に応答して前記照明源を前記第１の電源に選択的に電気的に接続させ、前記照明源に照明光の測定パルスを放射させるよう構成され、そして前記省電力制御モジュールは、前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部に供給する電力を調整して電力消費を低減させることができることを特徴とする、照明ドライバ集積回路と、
前記プリント回路基板に取り付けられた光検出器であって、前記光検出器は、光の戻りパルスを検出し、前記検出された戻りパルスを示す出力信号を生成するよう構成され、前記戻りパルスは、対応する前記測定パルスにより照射された周囲環境内の１つの位置から反射された前記測定パルスであることを特徴とする、光検出器と、
前記プリント回路基板に取り付けられた戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）であって、前記出力信号に基づいて前記戻り信号受信機ＩＣは、前記ＬＩＤＡＲ測定装置から３次元環境内の測定位置まで行き、前記ＬＩＤＡＲ測定装置に戻ってくるまでの前記測定パルスの飛行時間を決定するよう構成され、前記戻り信号受信機ＩＣは前記パルストリガー信号を生成し、前記パルストリガー信号を前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣに伝達するよう構成されていることを特徴とする、戻りパルス受信機ＩＣと、
を具備し、
前記省電力制御モジュールは、（ｉ）前記パルストリガー信号の第１のエッジで遅れ時間を導入し、（ｉｉ）前記遅れ時間の経過後、前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部への第１の調整された電圧を生成し、前記第１の調整された電圧は、前記パルストリガー信号の第２のエッジを過ぎても低電圧を維持し、（ｉｉｉ）前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部への第２の調整された電圧を生成し、前記第２の調整された電圧は、次のパルストリガー信号の第１のエッジの前に高電圧値へと上昇することを特徴とする、統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項2】
前記第１の電源は、前記第１の電源の第１のノードと第２のノードとの間に第１の電圧を生じさせ、前記照明源の第１のノードは、前記電源の前記第１のノードに電気的に接続され、前記照明ドライバＩＣは、前記照明源の第２のノードと前記第１の電源の前記第２のノードとに電気的に接続され、前記照明ドライバＩＣは、前記パルストリガー信号に応答して、前記照明源の前記第２のノードを前記第１の電源の前記第２のノードに選択的に電気的に接続させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項3】
前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣは、複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）を具備し、前記複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）は、
ソース、第２の電源の第１のノードに接続されたドレイン、及びゲート充電制御信号を受信するよう構成されたゲートを有する第１の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
前記第１のＦＥＴの前記ソースに接続されたドレイン、前記第２の電源の第２のノードに接続されたソース、及びゲート放電制御信号を受信するよう構成されたゲートを有する第２のＦＥＴと、
前記第１のＦＥＴの前記ソースと前記第２のＦＥＴの前記ドレインとに接続されたゲート、前記照明源の前記第２のノードに接続されたドレイン、及び前記第１の電源の前記第２のノードに接続されたソースを有する第３のＦＥＴであって、前記ゲート充電制御信号は、前記第３のＦＥＴの前記ゲートを前記第２の電源の前記第１のノードに選択的に接続させ、前記ゲート放電制御信号は、前記第３のＦＥＴの前記ゲートを前記第２の電源の前記第２のノードに選択的に接続させることを特徴とする第３のＦＥＴと、
を具備することを特徴とする請求項２に記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置。
【請求項4】
パルストリガー信号に応答して、プリント回路基板に取り付けられた窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの照明ドライバ集積回路（ＩＣ）から電力のパルスを供給するステップであって、前記照明ドライバＩＣには、省電力制御モジュールが含まれていることを特徴とする、ステップと電力消費を低減させるために、前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部に供給する電力を調整するステップであって、前記電力を調整するステップは、
（ｉ）前記省電力制御モジュールにより、前記パルストリガー信号の第１のエッジで遅れ時間を導入するステップと、
（ｉｉ）前記遅れ時間の経過後、前記省電力制御モジュールにより、前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部への第１の調整された電圧を生成するステップであって、前記第１の調整された電圧は、前記パルストリガー信号の第２のエッジを過ぎても低電圧を維持する、ステップと、
（ｉｉｉ）前記省電力制御モジュールにより、前記ＧａＮベースの照明ドライバＩＣの回路の一部への第２の調整された電圧を生成するステップであって、前記第２の調整された電圧は、次のパルストリガー信号の第１のエッジの前に高電圧値へと上昇する、ステップと、
を具備することを特徴とする、ステップと、
前記プリント回路基板に取り付けられた照明源からの電力の前記パルスに応答して照明光の測定パルスを放射するステップと、
光の戻りパルスを検出するステップであって、前記戻りパルスは、対応する前記測定パルスにより照射された周囲環境内の１つの位置から反射された前記測定パルスであることを特徴とする光の戻りパルスを検出するステップと、
ＬＩＤＡＲ装置から３次元環境内の測定位置まで行き、前記ＬＩＤＡＲ装置に戻ってくるまでの前記測定パルスの飛行時間を、前記検出された光の戻りパルスに基づき決定するステップと、
を具備することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１７年３月３１日に出願された「統合化されたＬＩＤＡＲ照明出力制御」というタイトルの米国特許仮出願第６２／４８０，１１９号に基づき優先権を主張している、２０１８年３月３０日に出願された「統合化されたＬＩＤＡＲ照明出力制御」というタイトルの米国特許出願第１５／９４１，３０２に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
本特許出願は、２０１７年３月３１日に出願された「統合化されたＬＩＤＡＲ照明出力制御」というタイトルの米国特許仮出願第６２／４８０，１１９号に基づき優先権を主張している、２０１８年３月３０日に出願された「統合化されたＬＩＤＡＲ照明出力制御」というタイトルの米国特許出願第１５／９４１，３０２に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【0002】
開示した実施形態は、ＬＩＤＡＲベースの３Ｄ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、光のパルスを使用して、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体までの距離を測定する。ＬＩＤＡＲシステムの光源から発せられる光パルスは、遠方の物体と互いに影響し合う。光の一部は物体から反射し、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの放射と戻り光パルスの検出との間の経過時間に基づいて、距離を推定する。いくつかの例では、レーザーエミッターによって光のパルスが生成される。光パルスは、レンズ又はレンズアセンブリを介して集光される。レーザー光のパルスがエミッターの近くに取り付けられた検出器に戻るのにかかる時間を測定する。距離は、時間測定により高精度で導出される。
【0004】
一部のＬＩＤＡＲシステムは単一のレーザーエミッター／検出器の組み合わせを使用し、回転ミラーを組み合わせて、平面を効果的にスキャンする。このようなシステムによって実行される距離測定は、事実上二次元（つまり平面）であり、捕捉した距離ポイントは二次元（つまり単一平面）のポイントクラウドとされる。いくつかの例では、回転ミラーは非常に高速度で回転する（例えば：毎分数千回転）。
【0005】
多くの操作シナリオでは、３Ｄポイントクラウドが必要である。周囲の環境を三次元で調査するために、多くのスキームが採用されている。いくつかの例では、２Ｄ機器は上下に、及び／又は前後に、多くの場合ジンバル上で動作する。これは、センサーの「ウィンク」又は「うなずき」として当業者に一般的に知られている。したがって、単一のビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に１点ではあるが、距離点の３Ｄアレイ全体をキャプチャできる。関連する例では、プリズムを使用してレーザーパルスを、それぞれがわずかに異なる垂直角を持つ複数の層に「分割」する。これは、上記のうなずき効果をシミュレートするが、センサー自体は作動しない。
【0006】
上記のすべての例で、単一のレーザーのエミッター／検出器の組み合わせの光路は、単一のセンサーよりも広い視野を得るために何らかの形で変更されている。このような装置が単位時間あたりに生成できるピクセル数は、本質的に、単一のレーザーのパルス繰り返し率の制限により制限される。ミラー、プリズム、又は、カバレッジエリアを拡大する装置の作動により、ビーム経路を変更することで、ポイントクラウド密度が低下することとなる。
【0007】
上記のように、３Ｄポイントクラウドシステムにはいくつかの構成がある。しかしながら、多くのアプリケーションでは、広い視野で見る必要がある。例えば、自律走行車の用途では、車両の前の地面を見るために、垂直方向の視野をできるだけ下方に拡大する必要がある。さらに、車が道路の窪みに入った場合に備えて、垂直方向の視野は地平線の上方に拡大する必要がある。さらに、現実の世界で生じる動きとその動きの画像化との間の遅延を最小限にする必要がある。いくつかの例では、完結した画像更新を毎秒少なくとも５回行うことが望ましい。これらの要件に対処するために、複数のレーザーエミッターと検出器のアレイを含む３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは、２０１１年６月２８日に発行された米国特許番号７，９６９，５５８に記載されており、その内容は、参照により全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【0008】
多くの用途において、一連のパルスが放出される。各パルスの方向は、連続的に急速に変化する。これらの例では、個々のパルスに関連付けられた距離測定ではピクセルを考慮し、高速で連続的に放出及び捕捉されたピクセルの集合（つまり「ポイントクラウド」）を画像として得たり、他の理由（障害物の検出など）のために分析したりできる。いくつかの例では、結果的に得られたポイントクラウドをユーザーに三次元で表示される画像として得るために表示ソフトウェアを使用する。実写カメラで撮影されたかのように見える３Ｄ画像として測定距離を表現するためにさまざまなスキームを使用することができる。
【0009】
いくつかの既存のＬＩＤＡＲシステムは、共通の基板（例えば、電気実装ボード）上で統合されていない照明源と検出器を採用している。さらに、照明ビーム経路と収集ビーム経路は、ＬＩＤＡＲ装置内で分離されている。これにより、オプトメカニクスの設計が複雑になり、調整が困難になる。
【0010】
加えて、異なる方向に照明ビームをスキャンさせるために使用される機械装置は、機械的振動、慣性力、及び一般的な環境条件に敏感である。設計が適切でない場合、これらの機械装置は劣化して、性能の低下や故障につながる可能性がある。
【0011】
高解像度及び高スループットで３Ｄ環境を測定するには、測定パルスは非常に短くなければならない。現在のシステムは、持続時間が短いパルスを生成する能力が限られているため、解像度が低いという問題がある。
【0012】
現実的な動作環境ではターゲットの反射率と接近度が大きく変化するため、検出器の飽和により測定能力が制限される。加えて、電力消費によりＬＩＤＡＲシステムが過熱する場合がある。照明具、ターゲット、回路、及び温度は、実際のシステムによって異なる。これらすべての要素の変動は、各ＬＩＤＡＲ装置の光子出力を適切に較正しなければシステムのパフォーマンスを制限することとなる。
【0013】
画像解像度及び画像範囲を改善するために、ＬＩＤＡＲシステムの照明ドライブ電子機器及び受信電子機器の改善が望まれる。
【発明の概要】
【0014】
ここでは、統合ＬＩＤＡＲ測定装置を用いて３次元ＬＩＤＡＲ測定を実行するための方法及びシステムについて説明する。
【0015】
１つの態様では、ＬＩＤＡＲ測定装置の照明ドライバは、照明光源を電力源に選択的に接続させて、パルストリガー信号に応答して照明光の測定パルスを生成させるＧａＮベースのＬＩＤＡＲ測定システム（ＩＣ）である。ＧａＮベースの照明ドライバには、従来のシリコンベースの相補型金属酸化シリコン（ＣＭＯＳ）デバイスよりも高い電流密度をもたらす電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が含まれている。その結果、ＧａＮベースの照明ドライバは、大幅に少ない電力損失で比較的大きな電流を照明源に供給することができる。
【0016】
さらなる態様では、戻りパルス受信機ＩＣは、主制御装置からパルスコマンド信号を受信し、パルスコマンド信号に応答してパルストリガー信号を照明ドライバＩＣに伝達する。パルストリガー信号により、戻りパルスのデータ取得及び、戻りパルス受信機ＩＣによる関連する飛行時間の計算も開始する。このようにして、受信機ＩＣの内部クロックに基づいて生成されたパルストリガー信号を使用して、パルス生成と戻りパルスデータ取得の両方を開始させる。これにより、パルス生成と戻りパルス取得の正確な同期が保証され、時間・デジタル変換による正確な飛行時間計算が可能になる。
【0017】
別のさらなる態様では、戻りパルス受信機ＩＣは、照明源と統合ＬＩＤＡＲ測定装置の光検出器との間の内部的なクロストークに起因するパルスの検出と、有効な戻りパルスとの間で費やされた時間に基づき決定される。このようにして、システムに起因する遅延は飛行時間の推定から排除される。
【0018】
別の態様では、照明ドライバＩＣには、照明源を流れる電流を制御するように構成されたいくつかの異なるＦＥＴが含まれる。さらに、照明源に接続されたＦＥＴの数は、デジタルＦＥＴ選択信号に基づいて選択可能である。いくつかの実施形態では、ＦＥＴ選択信号は、戻りパルス受信機ＩＣから照明ドライバＩＣに伝達される。
【0019】
別の態様では、照明ドライバＩＣには、照明ドライバＩＣの１つの回路に供給する電力を調整して電力消費を低減する省電力制御モジュールが含まれる。動作中、照明ドライバＩＣは測定パルスの生成に比較的短い時間を使い、次の測定パルスを生成するトリガー信号を待機するのに比較的長い時間を使う。このようなアイドル期間において、照明ドライバＩＣは、待機期間全体にわたってアクティブである必要はない、回路コンポーネントに供給される電力を削減又は削除する。
【0020】
別の態様では、照明ドライバＩＣには、パルストリガー信号に基づいてパルス開始信号を生成するパルス開始信号発生器が含まれる。加えて、照明ドライバＩＣには、パルス終了信号を生成するパルス終了信号発生器が含まれる。同時に、パルス開始信号とパルス終了信号は、照明ドライバＩＣによって生成されたパルスのタイミングを直接決定する。照明ドライバＩＣは、戻りパルス受信機ＩＣから受信したアナログパルス幅制御信号の値に基づいて、持続時間がプログラム可能なパルスを生成する。照明ドライバは、パルス幅制御信号の値に基づくパルス開始信号より遅れたパルス終了信号を生成する。
【0021】
別の態様では、照明ドライバＩＣは、戻りパルス受信機ＩＣから受信したアナログ振幅制御信号の値に基づいて、プログラム可能な振幅のパルスを生成する。
【0022】
別の態様では、主制御装置は、別々の統合ＬＩＤＡＲ測定装置にそれぞれ伝達される複数のパルスコマンド信号を生成するように構成される。各戻りパルス受信機ＩＣは、受信したパルスコマンド信号に基づいて、対応するパルストリガー信号を生成する。
【0023】
上述の記載は要約であり、したがって、必然的に、簡素化、一般化及び詳細の省略が含まれ、したがって、当業者であればこの要約は単なる例示であり、決して限定のためのものではないことを理解するであろう。他の態様、創作的特徴、及びここに記載した装置及び／又はプロセスの利点は、ここに記載した非限定的な詳細な説明において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】少なくとも１つの新規な態様における少なくとも１つの統合ＬＩＤＡＲ測定装置を含むＬＩＤＡＲ測定システムの１つの実施形態を示す簡略図である。
【0025】
【図2】統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射、及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを図示する。
【0026】
【図3】１つの実施形態における照明ドライバＩＣを示す簡略図を示す。
【0027】
【図4】別の実施形態における照明ドライバＩＣを示す簡略図を示す。
【0028】
【図5】省電力制御モジュール、パルス開始信号発生器、及びパルス終了信号発生器を含む照明ドライバＩＣの１つの実施形態の簡略図を示す。
【0029】
【図6】省電力制御モジュールの実施形態をさらに詳細に示す。
【0030】
【図7】パルス開始信号発生器の１つの実施形態をさらに詳細に示す。
【0031】
【図8】パルス終了信号発生器の１つの実施形態をさらに詳細に示す。
【0032】
【図9】パルス振幅制御回路の実施形態をさらに詳細に示す。
【0033】
【図10】パルストリガー信号に応じて省電力制御モジュールによって生成される調整された電圧ＶＲＥＧの変化の簡略図を示す。
【0034】
【図11】１つの例示的な動作シナリオにおける３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。
【0035】
【図12】１つの例示的な動作シナリオにおける３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。
【0036】
【図13】１つの例示的な実施形態における３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示す。
【0037】
【図14】光学素子１１６の詳細を示す図である。
【0038】
【図15】集光した光１１８の各ビームの整形を示す光学系１１６の断面図である。
【0039】
【図16】少なくとも１つの新しい太陽における、統合ＬＩＤＡＲ測定装置により、ＬＩＤＡＲ測定を実行する方法３００を例示するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0040】
次に、本発明の背景例及びいくつかの実施形態を詳細に参照するが、それらの例は添付図面に示されている。
【0041】
図１は、１つの実施形態におけるＬＩＤＡＲ測定システム１２０を示す。ＬＩＤＡＲ測定システム１２０には、主制御装置１９０と1つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０とが含まれる。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、戻り信号受信機集積回路（ＩＣ）、窒化ガリウムベースの照明ドライバ集積回路（ＩＣ）１４０、照明源１６０、光検出器１７０、及びトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１８０が含まれる。これらの要素の各々は、要素間の機械的支持及び電気的接続性を提供する共通基板１３５（例えば、プリント回路基板）に取り付けられている。
【0042】
加えて、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、基板１３５に取り付けられた電子素子に電圧を供給し、照明装置１６０に電力を供給する１つ以上の電圧源を含む。図１に示すように、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、ノードＶＤＤＬＶ１３７とノードＶＳＳ１３６に比較的低い電圧を供給するように構成された低信号電圧源１３１を含む。いくつかの実施形態では、電圧源１３１によって供給される電圧は約５ボルトである。この電圧は、照明ドライバＩＣ１４０の１つ以上のトランジスタのゲートに供給される電圧が損傷閾値を超えないことを保証するように選択される。加えて、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、低電圧電源１３１によって供給される電圧よりも高い電圧をノードＶＤＤＭＶ１３９とＶＳＳ１３８との間に供給するように構成された、中間信号電圧源１３２が含まれる。いくつかの実施形態では、電圧源１３２によって供給される電圧は約１２ボルトである。この電圧は、照明ドライバＩＣ１４０の１つ以上のトランジスタの高速スイッチング遷移を保証するように選択される。加えて、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、中間電圧電源１３２によって供給される電圧よりも高い電圧をノードＶＤＤＨＶ１２２とノードＶＳＳ１２１との間に供給するように構成された、電力電圧源１３３が含まれる。いくつかの実施形態では、電圧源１３３によって供給される電圧は約１５から２０ボルトである。電圧源１３３は、照明源１６０に測定光のパルスを放射させるような、高電流１３６（例えば、１００アンペア以上）を照明源１６０に供給するように構成されている。
【0043】
ここでは好ましい出力電圧について説明したが、一般に、電源１３１、１３２、及び１３３は、任意の適切な電圧を供給するように構成することができる。加えて、図１を参照して説明した電圧源１３１、１３２、及び１３３は、基板１３５に取り付けられている。しかしながら、一般に、ここで説明する電源のいずれも、別の基板に取り付けることができ、任意の適切な方法で基板１３５に取り付けられた様々な要素に電気的に接続することができる。電源１３１、１３２、及び１３３は、図１を参照して電圧源として説明されているが、一般に、ここで説明した任意の電源は、電圧又は電流で特定した電力を供給するように構成することができる。したがって、本明細書で電圧源又は電流源として説明している任意の電源は、それぞれ同等の電流源又は電圧源と考えることができる。
【0044】
照明源１６０は、電流１３６のパルスに応答して照明光１６２の測定パルスを放射する。照明光１６２は、ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学要素により周囲環境の特定の場所に焦点が合わせられ、その場所に投射される。
【0045】
いくつかの実施形態では、照明源１６０はレーザーベース（例えばレーザーダイオード）である。いくつかの実施形態では、照明源は、１つ以上の発光ダイオードに基づいている。一般に、任意の適切なパルス照明源を考えることができる。
【0046】
図１に示すように、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から放射された照明光１６２と、統合ＬＩＤＡＲ測定装置に向かう対応する戻り測定光１７１は、光路を共有する。統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０には、アクティブセンサー領域１７４を有する光検出器１７０が含まれる。図１に示すように、照明源１６０は、光検出器のアクティブ領域１７４の視野の外側に位置する。図１に示すように、オーバーモールドレンズ１７２は、光検出器１７０に取り付けられている。オーバーモールドレンズ１７２には、戻り光１７１の光線受け入れ円錐に対応する円錐空洞が含まれる。照明源１６０からの照明光１６２は、ファイバ導波路によって検出器受信円錐に注入される。光カプラーは、照明源１６０とファイバ導波路とを光学的に接続する。ファイバ導波路の端部では、照明光１６２を戻り光１７１の円錐に注入するために、ミラー要素１６１は導波路に対して４５度の角度に保たれている。１つの実施形態では、ファイバ導波路の端面は４５度の角度で切断され、端面は高反射誘電体コーティングでコーティングした鏡面を提供する。いくつかの実施形態では、導波路には、長方形のガラスコアと、より低い屈折率のポリマークラッドとが含まれる。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ全体が、ポリマークラッディングの屈折率に厳密に一致する屈折率を有する材料でカプセル化されている。このようにして、導波路により、照明光１６２が最小のオクルージョンで戻り光１７１の受け入れ円錐に注入される。
【0047】
検出器１７０のアクティブ検出領域１７４に投射された戻り光１７１の受け入れ円錐内の導波路の配置は、照明スポットと検出器の視野が確実に遠視野で最大の重なりを有するように選択される。
【0048】
図１に示すように、周囲環境から反射された戻り光１７１は、光検出器１７０によって検出される。いくつかの実施形態では、光検出器１７０はアバランシェフォトダイオードである。光検出器１７０は、アナログトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１８０によって増幅される出力信号１７３を生成する。しかしながら、一般に、出力信号１７３の増幅は、複数の増幅段を有することがある。この意味で、本特許文書の範囲内で他の多くのアナログ信号増幅方式を考えることができるので、アナログトランスインピーダンス増幅器を非限定的な例として提示する。図１には、一般に、受信機ＩＣ１５０とは別個のデバイスとしてＴＩＡ１８０が描かれているが、ＴＩＡ１８０は受信機ＩＣ１５０と統合されてもよい。いくつかの実施形態では、ＴＩＡ１８０を受信機ＩＣ１５０と統合して、スペースを節約し、信号の混入を低減することが好ましい。
【0049】
図１に示すように、増幅された信号１８１は、戻り信号受信機ＩＣ１５０に伝達される。受信機ＩＣ１５０には、タイミング回路と、照明源１６０から三次元環境内の反射物体まで行き光検出器１７０に戻るまでの測定パルスの飛行時間を推定する時間デジタル変換器が含まれる。推定飛行時間を示す信号１５５は、ＬＩＤＡＲ測定システム１２０のユーザーへのさらなる処理及び伝達のために、主制御装置１９０に伝達される。加えて、戻り信号受信機ＩＣ１５０は、ピーク値（すなわち、戻りパルス）を含むリターン信号１８１のセグメントをデジタル化し、デジタル化されたセグメントを示す信号１５６を主制御装置１９０に伝達する。いくつかの実施形態では、主制御装置１９０は、これらの信号セグメントを処理して、検出された物体の特性を識別する。いくつかの実施形態では、主制御装置１９０は、さらなる処理のために、信号１５６をＬＩＤＡＲ測定システム１２０のユーザーに伝達する。
【0050】
主制御装置１９０は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の受信機ＩＣ１５０に伝達されるパルスコマンド信号１９１を生成するように構成される。一般に、ＬＩＤＡＲ測定システムには、いくつかの異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０が含まれる。これらの実施形態では、主制御装置１９０は、パルスコマンド信号１９１を、異なる統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々に伝達する。このようにして、主制御装置１９０は、任意の数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって実行されるＬＩＤＡＲ測定のタイミングを調整する。
【0051】
パルスコマンド信号１９１は、主制御装置１９０によって生成されたデジタル信号である。かくて、パルスコマンド信号１９１のタイミングは、主制御装置１９０に関連するクロックによって決定される。いくつかの実施形態では、パルスコマンド信号１９１は、照明ドライバＩＣ１４０によるパルス生成及び受信機ＩＣ１５０によるデータ取得を開始させるために直接使用される。しかしながら、照明ドライバＩＣ１４０及び受信機ＩＣ１５０は、主制御装置１９０と同じクロックを共有しない。このため、パルスコマンド信号１９１を直接使用してパルス生成とデータ収集を開始させる場合、飛行時間の正確な推定は、はるかに計算が面倒になる。
【0052】
１つの態様では、受信機ＩＣ１５０は、パルスコマンド信号１９１を受信し、パルスコマンド信号１９１に応答して、パルストリガー信号ＶＴＲＧ１５１を生成する。パルストリガー信号１５１は、照明ドライバＩＣ１４０に伝達され、照明源１６０を電源１３３に電気的に接続し、照明光１６２のパルスを生成させるように、照明ドライバＩＣ１４０を直接的に動作させる。加えて、パルストリガー信号１５１は、戻り信号１８１及び関連する飛行時間計算のデータ取得を直接的に開始させる。このようにして、受信機ＩＣ１５０の内部クロックに基づいて生成されたパルストリガー信号１５１を、パルス生成と戻りパルスデータ取得の両方を開始させるために使用する。これにより、時間からデジタルへの変換により正確な飛行時間の計算を可能にする、パルス生成と戻りパルス取得との同期を確実なものとする。
【0053】
図２は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０からの測定パルスの放射及び戻り測定パルスの捕捉に関連するタイミングを図示する。図２に示すように、測定は、受信機ＩＣ１５０によって生成されるパルストリガー信号１６２の立ち上がりエッジによって測定を開始する。図１及び図２に示すように。増幅されたリターン信号１８１を、受信機ＩＣ１５０が受信する。前述のように、測定窓（つまり、収集されたリターン信号データが特定の測定パルスと関連付けられている期間）は、パルストリガー信号１６２の立ち上がりエッジでデータ取得を有効にすることによって開始する。受信機ＩＣ１５０は、測定パルスシーケンスの放出に応答して戻り信号が予想される時間の窓に対応するように、測定窓の持続時間Ｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔを制御する。いくつかの例では、パルストリガー信号１６２の立ち上がりエッジで測定窓が有効になり、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の約２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時刻で無効になる。このように、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに隣接するオブジェクト（つまり、無視できる飛行時間）からＬＩＤＡＲシステムの最大範囲までにあるオブジェクトの戻り光を収集するために開いている。このようにして、有用なリターン信号に貢献できない可能性のある他のすべての光が排除される。
【0054】
図２に示すように、戻り信号１８１には、放出された測定パルスに対応する３つの戻り測定パルスが含まれる。一般に、信号検出は、検出されたすべての測定パルスに対して実行される。さらに、最も近い有効信号１８１Ｂ（すなわち、戻り測定パルスの最初の有効なインスタンス）、最も強い信号、及び最も遠い有効信号１８１Ｃ（すなわち、測定窓における戻り測定パルスの最後の有効なインスタンス）を識別するために信号分析を実行することができる。これらのインスタンスはいずれも、潜在的に有効な距離測定としてＬＩＤＡＲシステムから報告することができる。
【0055】
ＬＩＤＡＲシステムからの光の放出に関連する内部システム遅延（例えば、スイッチング要素、エネルギー貯蔵要素、及びパルス発光装置に関連する信号通信遅延及び待ち時間）、及び光の収集と収集された光を示す信号の生成（例えば、増幅器のレイテンシ、アナログデジタル変換遅延など）に関連する遅延は、光の測定パルスの飛行時間の推定における誤差の原因となる。したがって、パルストリガー信号１６２の立ち上がりエッジと各有効戻りパルス（すなわち、１８１Ｂ及び１８１Ｃ）との間の経過時間に基づく飛行時間の測定には、望ましくない測定エラーが入り込んでいる。いくつかの実施形態では、修正した実際の光の飛行時間の推定値を得るため、電子的な遅延を補正するために、較正済みの所定の遅延時間が採用されている。ただし、動的に変化する電子遅延に対して静的な補正を行うことには、精度に限界が生じる。頻繁に再キャリブレーションを行うこともできるが、これには計算の複雑さが伴い、システムの稼働時間の妨げとなる。
【0056】
別の態様では、受信機ＩＣ１５０は、照明源１６０と光検出器１７０との間の内部クロストークによる検出パルス１８１Ａの検出と、有効な戻りパルス（例えば、１８１Ｂ及び１８１Ｃ）との間の経過時間に基づいて飛行時間を測定する。このようにして、システムに起因する遅延は飛行時間の推定から排除される。パルス１８１Ａは、光の伝播距離が事実上存在しない内部クロストークによって生成される。したがって、パルストリガー信号の立ち上がりエッジからパルス１８１Ａの検出のインスタンスまでの時間遅れは、照明及び信号検出に関連するシステムに起因する遅延のすべてを捕捉する。有効な戻りパルス（例えば、戻りパルス１８１Ｂ及び１８１Ｃ）の飛行時間を、検出されたパルス１８１Ａを基準にして測定することにより、内部クロストークによる照明及び信号検出に関連するすべての、システムに起因する遅延が除去される。図２に示すように、受信機ＩＣ１５０は、戻りパルス１８１Ｂに関連する飛行時間ＴＯＦ１と、戻りパルス１８１Ａを基準とした戻りパルス１８１Ｃに関連する飛行時間ＴＯＦ２とを推定する。
【0057】
いくつかの実施形態では、信号分析は、受信機ＩＣ１５０によって完全に実行される。これらの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０から伝達される信号１５５には、受信機ＩＣ１５０によって決定された飛行時間の指示が含まれる。いくつかの実施形態では、信号１５６には、受信機ＩＣ１５０によって生成された戻り信号１８１のデジタル化されたセグメントが含まれる。これらの生の測定信号セグメントは、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステムに搭載された、又は３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステムの外部にある１つ以上のプロセッサによってさらに処理され、距離の別の推定値、検出されたオブジェクトの１つ以上の物理的特性、又はそれらの組み合わせを取得する。
【0058】
１つの態様では、ＬＩＤＡＲ測定装置の照明ドライバは、照明源を電力源に選択的に接続し、パルストリガー信号に応答して照明光の測定パルスを生成する。ＧａＮベースの照明ドライバには、従来のシリコンベースの相補型金属酸化シリコン（ＣＭＯＳ）デバイスよりも高い電流密度を提供する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が含まれている。その結果、ＧａＮベースの照明ドライバは、シリコンベースのドライバよりも大幅に少ない電力損失で、比較的大きな電流を照明源に供給することができる。
【0059】
図１に示すように、照明ドライバＩＣ１４０は、電源１３３の電圧ノード１２１と照明源１６０のノードに接続される。照明源１６０の別のノードは、電源１３３の電圧ノード１２２に接続される。パルストリガー信号１５１に応答して、照明ドライバＩＣ１４０の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は実質的に導電性になり、照明源１６０をノード１２１と有効に接続する。これにより、照明源１６０を通る高電流の流れ１３６が誘発され、照明光１６２の測定パルスを放射させる。
【0060】
図３は、照明ドライバＩＣ１４０の実施形態１４０Ａを示す。さらなる態様では、ＧａＮベースの照明ドライバＩＣ１４０Ａには、共通のＧａＮベースのＩＣ上に統合された３つのＦＥＴ１４１、１４３、及び１４４が含まれる。主ＦＥＴ１４１は、照明源１６０（例えば、レーザーダイオード１６０）を通る電流の流れを制御する。しかし、２つの追加のトランジスタ、主充電ＦＥＴ１４３及び主放電ＦＥＴ１４４は、主ＦＥＴ１４１のゲート電圧を制御して、転移を加速し、電力損失を最小化する。
【0061】
図３に示すように、主充電ＦＥＴ１４３のドレインは、図１に示す低電圧電源１３１の電圧ノード１３７に接続されている。主充電ＦＥＴ１４３のソースは、主放電ＦＥＴ１４４のドレイン及び主ＦＥＴ１４１のゲートに接続されている。主放電ＦＥＴ１４４のソースは、低電圧電源１３１の電圧ノード１３６に接続されている。加えて、主ＦＥＴ１４１のゲートと低電圧電源１３１の電圧ノード１３６との間に抵抗が接続されている。ゲート充電制御信号１４５は、主充電ＦＥＴ１４３のゲートに提供され、ゲート放電制御信号１４６は、主放電ＦＥＴ１４４のゲートに送られる。このようにして、ゲート充電制御信号１４５及びゲート放電制御信号１４４は、主ＦＥＴ１４１のゲートの充電状態、したがって主ＦＥＴ１４１の導通状態を決定する。一例では、ゲート充電制御信号はパルストリガー信号１５１であり、ゲート放電制御信号はパルストリガー信号１５１の逆信号である。
【0062】
図３に示す照明ドライバＩＣ１４０の実施形態１４０Ａには、照明源１６０を流れる電流を決定する単一の主ＦＥＴ１４１が含まれる。別の態様では、照明ドライバＩＣ１４０には、照明源１６０を通る電流を制御するように構成された、いくつかの異なるＦＥＴが含まれる。さらに、照明源に接続されるＦＥＴの数はプログラム可能である。これにより、プログラム可能な最大電流を照明源１６０に流すことができ、従ってプログラム可能な最大照明パルスの振幅を可能とする。
【0063】
図４は、照明ドライバＩＣ１４０の実施形態１４０Ｂを示す。図３を参照して、同様の番号が付けられた要素について説明する。図４に示すように、１つ以上のＦＥＴのＮ個のグループは、照明源１６０と並列に接続される。ここで、Ｎは任意の正の整数である。各ＦＥＴグループ１４１Ａ～１４１Ｎの各主ＦＥＴのドレインは、照明源１６０のノードに接続されている。同様に、各ＦＥＴグループ１４１Ａ～１４１Ｎの各主ＦＥＴのソースは、電源電圧供給１３３のノード１２１に接続されている。各ＦＥＴグループ１４１Ａ～１４１Ｎの各主ＦＥＴのゲートは、主充電ＦＥＴ１４３のソース及び主放電ＦＥＴ１４４のドレインに選択的に接続される。ＦＥＴの特定のグループの各主ＦＥＴが主充電ＦＥＴ１４３のソース及び主放電ＦＥＴ１４４のドレインに電気的に接続されるかどうかは、受信機ＩＣ１５０から受信される選択信号ＳＥＬ、１５４の状態によって決定される。図４に示す例では、ＳＥＬはＮビットワードである。各ビットは特定の主ＦＥＴグループに対応している。特定のビットが高の状態の場合、対応する主ＦＥＴグループに関連付けられている各主ＦＥＴは、主充電ＦＥＴ１４３のソースと主ＦＥＴのドレインに接続される。この状態では、ゲート充電制御信号１４５とゲート放電制御信号１４４は、対応する主ＦＥＴグループの各主ＦＥＴのゲートの充電状態を決定します。このようにして、Ｎビットワードの各ビットの状態は、どの主ＦＥＴグループが照明源１６０によるパルス生成に関与するかを決定する。
【0064】
受信機ＩＣ１５０は、ＳＥＬ信号を生成して照明ドライバＩＣ１４０に伝達することにより、どのＦＥＴグループが次の測定パルスに参加すべきかを決定する。いくつかの例では、決定は前の測定パルスから受信した戻り信号に基づく。例えば、受信した戻り信号が飽和している場合、受信機ＩＣ１５０は、参加する主ＦＥＴグループの数を減らすために、多数のゼロ値ビットで選択信号ＳＥＬを生成して照明ドライバ１４０に伝達する。このようにして、次の照明パルスで放射される光子の数が減少する。
【0065】
いくつかの実施形態では、各主ＦＥＴグループ内でのＦＥＴの数は異なる。このようにして、ＦＥＴグループをさまざまな組み合わせでアクティブにして、広範囲で均一な解像度となるようにＦＥＴを参画させることができる。
【0066】
図５は、照明ドライバＩＣ１４０の一部について１つの実施形態１４０Ｃを示す。図５に示すように、照明ドライバＩＣ１４０Ｃには、省電力制御モジュール２１０、パルス開始信号発生器２２０、及びパルス終了信号発生器２３０が含まれる。
【0067】
別の態様では、照明ドライバＩＣ１４０には、照明ドライバＩＣ１４０の回路の一部に供給する電力を調整して電力消費を低減させる省電力制御モジュールが含まれる。動作中、照明ドライバＩＣ１４０は比較的短い時間で測定パルスを生成し、比較的長い時間、次の測定パルスを生成するためのトリガー信号を待機する。これらのアイドル期間中は、待機期間全体にわたってアクティブにする必要はない回路コンポーネントに供給する電力を削減又は削除することが望ましい。図５に示すように、省電力制御モジュール２１０は、図１に示す信号電圧源１３２の電圧ノードＶＤＤＭＶとＶＳＳの間に接続される。加えて、省電力制御モジュール２１０は、受信機ＩＣ１５０からパルストリガー信号１５１を受信し、それに応答して、照明ドライバＩＣ１４０の様々な部分に供給する調整された電圧Ｖｒｅｇを生成する。例えば、Ｖｒｅｇは、図４に示される主ＦＥＴグループ１４１Ａ～Ｎ、図９に示すパルス振幅制御回路２５０、及び図５に示すパルス終了信号発生器２３０に供給される。
【0068】
図６は、省電力制御モジュール２１０の実施形態２１０Ａを示す。省電力制御モジュール２１０Ａには抵抗２１４が含まれる。パルストリガー信号１５１は、抵抗器２１４の第１のノードに供給される。抵抗器２１４の第２のノードは、コンデンサ２１５の第１のノードに接続されている。コンデンサ２１５の他方のノードは、図１に示す信号電圧源１３２のノード１３８に接続されている。省電力制御モジュール２１０Ａには、信号電圧源１３２のノード１３８に接続されたソース、抵抗器２１４の第２のノードに接続されたゲート、及びＦＥＴ２１１のゲートに接続されたドレインを有するＦＥＴ２１３も含まれる。ＦＥＴ２１１のドレインは、信号電圧源１３２のノード１３９に接続され、調整された電圧Ｖｒｅｇは、ＦＥＴ２１１のソースに供給される。抵抗２１４とコンデンサ２１５は、ＦＥＴ２１３のゲートに遅延をもたらすＲＣネットワークを作成する。これにより、ＶＴＲＧの立ち上がりエッジと、スリープモード中にＶＲＥＧがＶＳＳに降下する時との間に遅延（図１０に示されるＴＤ＿ＳＬＥＥＰ）が生じる。
【0069】
図１０は、パルストリガー信号ＶＴＲＧに応答して省電力制御モジュール２１０によって生成される調整された電圧ＶＲＥＧの変化の簡略図を示す。図１０に示すように、パルストリガー信号の立ち上がりエッジで、調整された電圧は、一定期間、ＴＤ－ＳＬＥＥＰの間、高いままである。この時間の長さは、抵抗２１４及びコンデンサ２１５の値によって決定される。この時間が経過すると、ＶＲＥＧはすぐに下降する。ＶＴＲＧの立ち下がりエッジで、調整された電圧は一定期間低いままであり、その後比較的高い電圧値まで上昇し、照明ドライバＩＣ１４０はその後のＶＴＲＧの立ち上がりエッジに応答して測定パルスを生成する準備ができる。
【0070】
別の態様では、照明ドライバＩＣ１４０には、パルストリガー信号に基づくＧａＮベースの照明ドライバＩＣの部分にパルス開始信号Ｖｉｎｉｔを生成するパルス開始信号発生器２２０が含まれる。加えて、照明ドライバＩＣ１４０には、パルス開始信号に基づいてＧａＮベースの照明ドライバＩＣの部分にパルス終了信号Ｖｔｅｒｍを生成するパルス終了信号発生器２３０が含まれる。一緒に、パルス開始信号とパルス終了信号は、照明ドライバＩＣ１４０によって生成されたパルスのタイミングを直接決定する。言い換えれば、実施形態では、パルストリガー信号１５１に照明ドライバＩＣ１４０により生成されたパルスのタイミングを直接決定させるのではなく、パルス開始信号の生成を開始させるためにパルストリガー信号１５１を使用する。一方、パルス開始信号は、パルスの生成を直接開始させ、また、パルス終了信号の生成を開始させる。パルス終了信号は、パルスの生成を直接終了させる。
【0071】
図７は、パルス開始信号発生器２２０の実施形態２２０Ａを示す。パルス開始信号発生器２２０Ａは、ＦＥＴ２２２及び抵抗２２３を含む。パルストリガー信号１５は、ＦＥＴ２２２のゲートに供給される。ＦＥＴ２２２のソースは、図１に示される信号電圧源１３２のノード１３８に接続される。抵抗器２２３の第１のノードは信号電圧源１３２のノード１３９に接続され、抵抗器２２３の第２のノードはＦＥＴ２２２のドレインに接続される。パルス開始信号２２１はＦＥＴ２２２のドレインに供給される。
【0072】
図１０は、パルストリガー信号ＶＴＲＧに応答してパルス開始信号発生器２２０によって生成されるパルス開始信号ＶＩＮＩＴの変化の簡略図を示す。図１０に示すように、パルストリガー信号の立ち上がりエッジで、ＶＩＮＩＴは、非常に急速に低電圧値ＶＳＳまで下降する。ＶＴＲＧの立ち下がりエッジで、ＶＩＮＩＴはＶＤＤＭＶの値まで上昇し、照明ドライバＩＣ１４０は、ＶＴＲＧの次の立ち上がりエッジに応答してパルス開始信号を生成する準備ができる。
【0073】
別の態様では、パルス終了信号発生器２３０は、アナログ入力信号の値に基づいてプログラム可能な持続時間のパルスを生成するように構成される。図１に示すように、受信機ＩＣ１５０はアナログパルス幅制御信号ＶＰＷＣ１５２を生成し、ＶＰＷＣを照明ドライバＩＣ１４０に伝達する。それに応答して、照明ドライバＩＣ１４０は、受信したＶＰＷＣの値に基づいてパルス持続時間を変更する。図５に示す実施形態では、パルス終了信号発生器２３０は、ＶＰＷＣ及びＶＩＮＩＴを受信し、ＶＰＷＣの値に従ってプログラムされたＶＩＮＩＴからの遅延を有するパルス終了信号ＶＴＥＲＭを生成する。
【0074】
図８は、パルス終了信号発生器２３０の実施形態２３０Ａを示す。パルス終端信号発生器２３０には、抵抗２３８と、演算増幅器として構成されるＦＥＴ２３６～２３７とが含まれる。演算増幅器の出力は、ＦＥＴ２４３のゲートに接続されている。演算増幅器は、ＦＥＴ２３６のゲートでＶＰＷＣを入力として受信する。さらに、演算増幅器は、ＦＥＴ２３７のゲートで入力電圧２４９を受信する。入力電圧２４９がＶＰＷＣの値を超えると、出力電圧２４８の値はトランジションを低い値に切り替える。ＶＰＷＣの値が入力電圧２４９の値を超えると、出力電圧２４８の値は高い値に移行する。入力電圧２４９は、抵抗器２４１とコンデンサ２４２によって形成されるＲＣ回路の電圧である。ＶＩＮＩＴはＦＥＴ２４０のゲートで受信される。ＶＩＮＩＴが低い値（パルスの開始時）に移行すると、ＦＥＴ２４０はＲＣ回路をＶＳＳから有効に切り離す。これにより、ＲＣ回路の充電が開始される。ＦＥＴ２３９は、ＲＣ回路にゼロではない開始電圧を供給する。ＲＣ回路の電圧が上昇すると、最終的にはＶＰＷＣの値を超え、出力ノード２４８のトランジションを開始させる。ＲＣ回路の電圧上昇率は一定であるため、出力電圧２４８のトランジションまでの時間遅れは、部分的にＶＰＷＣの値によって決定される。ＶＰＷＣの値が大きいほど、終了信号ＶＴＥＲＭが生成されるまでのパルス開始からの遅れが大きくなる。このようにして、ＶＰＷＣの値がパルス持続時間を決定する。パルス終了信号発生器２３０には、抵抗２３２と、演算増幅器構造への電流源として構成されたＦＥＴ２３３～２３５とが含まれる。ＦＥＴ２４３及び２４４は、出力電圧２４８の値を縮小させるように構成される。抵抗２４５及び２４７とＦＥＴ２４６は、出力電圧２４８の縮小した値を反転させるように構成されている。パルス終了信号ＶＴＥＲＭは、ＦＥＴ２４６のドレインで提供される。
【0075】
図１０は、パルス開始信号ＶＩＮＩＴ及びパルス幅制御信号ＶＰＷＣに応答してパルス終了信号発生器２３０によって生成されるパルス終了信号ＶＴＥＲＭの変化の簡略図を示す。図１０に示すように、ＶＩＮＩＴが低くなると、ＲＣ回路の電圧が上昇し始める。ＲＣ回路の電圧がＶＰＷＣを越えた時点で、ＶＴＥＲＭは高になり、一定時間保持され、その後再び減少する。パルスの開始とＶＴＥＲＭの立ち上がりエッジとの間の期間、ＴＤ－ＰＵＬＳＥが測定パルスの相対的な持続時間を決定することに注意すべきである。ＶＴＲＧの立ち下がりエッジで、ＶＴＥＲＭは再び下降し、照明ドライバＩＣ１４０は、後続のパルスへのパルス終了信号を生成する準備ができる。図１０に示すように、主ＦＥＴ１４１のゲート電圧ＶＧＡＴＥも描かれている。
【0076】
別の態様では、パルス終了信号発生器２３０は、アナログ入力信号の値に基づいてプログラム可能な振幅のパルスを生成するように構成される。図１に示すように、受信機ＩＣ１５０は、アナログ振幅制御信号ＶＡＭＰ１５３を生成し、ＶＡＭＰを照明ドライバＩＣ１４０に伝達する。それに応答して、照明ドライバＩＣ１４０は、ＶＡＭＰの受信値に基づいてパルス振幅を変更する。
【0077】
【0078】
ＶＩＮＩＴが低になると（測定パルスの開始の信号）、ＦＥＴ２６２は主充電ＦＥＴ１４３のゲートをＶＳＳから迅速に切り離し、主充電ＦＥＴ１４３を迅速に充電することを可能にする。同様に、ＦＥＴ２６３は、主ＦＥＴ１４１のゲートをＶＳＳから迅速に切り離し、主ＦＥＴ１４１を充電することを可能にする。
【0079】
ＶＴＥＲＭが高になると（測定パルスの終了の信号）、ＦＥＴ２６４は充電ＦＥＴ１４３のゲートをＶＳＳに短絡させる。同様に、主放電ＦＥＴ１４４は、可能な限り迅速に主ＦＥＴ１４１のゲートをＶＳＳに短絡させて、照明源１６０を通る電流の流れを遮断する。
【0080】
ＦＥＴ２６０及び抵抗２６１により、主放電ＦＥＴ１４４及び放電ＦＥＴ２６４の迅速なターンオンがもたらされる。
【0081】
加えて、パルス振幅制御回路２５０には、抵抗２５１及び２５４、コンデンサ２５２、及びＦＥＴ２５３が含まれる。パルス振幅制御信号ＶＡＭＰを、抵抗器２５１の第１ノードで受信する。抵抗２５１の第２のノードは、ＦＥＴ２５３のゲート及びコンデンサ２５２の第１のノードに接続されている。ＦＥＴ２５３のドレインは、調整された電圧源ＶＲＥＧに接続されている。ＦＥＴ２５３のソースは、抵抗２５４の第１のノードに接続されている。抵抗２５４の第２のノードは、主充電ＦＥＴ１４３のゲートに接続されているコンデンサ２５２の第２のノードに接続されている。このようにして、パルス振幅制御回路２５０は、主充電ＦＥＴ１４３のゲートで充電を制御する。
【0082】
図９に示すように、ＶＡＭＰの値は、パルス振幅制御回路２５０のランプ速度を制御する。ＶＡＭＰが増加すると、ＦＥＴ２５３のゲートでの電荷蓄積の速度が増加する。同様に、これにより主電荷ＦＥＴ１４３のゲートでの電荷蓄積の速度が増加する。これにより、主ＦＥＴ１４１のゲートでの電荷蓄積の速度が増加し、照明源１６０によって結果的に生成された照明パルスのランプレートが加速される。与えられたパルス幅の照明パルスの最大振幅を制御する。
【0083】
別の態様では、主制御装置は、各々が別々の統合ＬＩＤＡＲ測定装置に伝達される複数のパルスコマンド信号を生成するように構成される。各戻りパルス受信機ＩＣは、受信したパルスコマンド信号に基づいて、対応するパルストリガー信号を生成する。
【0084】
図１１～図１３は、複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置を有する３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステムを示す。いくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置の起動同士の間に遅延時間が設定される。いくつかの例では、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲にあるオブジェクトとの間の測定パルスシーケンスの飛行時間よりも長くなる。このようにして、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のいずれにもクロストークをなくす。いくつかの他の例では、別の統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻る前に、１つの統合ＬＩＤＡＲ測定装置から測定パルスが放射される。これらの実施形態では、クロストークを回避するために、各ビームによって調査される周囲環境の領域同士の十分な空間的分離を確保するように注意が払われる。
【0085】
図１１は、１つの例示的な動作シナリオにおける３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を有する光）に対して透明な材料から構築されたドーム型シェル要素１０３を有する上部ハウジング１０２とが含まれる。１つの例では、ドーム型シェル要素１０３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【0086】
図１１に示すように、複数の光ビーム１０５は、中心軸１０４から測定した角度範囲αにわたって、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００からドーム型シェル要素１０３を通って放射される。図１１に示す実施形態では、各光ビームは、互いに離間した複数の異なる位置でｘ軸及びｙ軸によって規定される平面に投射される。例えば、ビーム１０６は位置１０７でｘｙ平面に投影される。
【0087】
図１１に示す実施形態では、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りに複数の光ビーム１０５のそれぞれをスキャンするように構成される。ｘｙ平面に投射される各光ビームは、中心軸１０４とｘｙ平面の交点を中心とする円形パターンをたどる。例えば、時間の経過とともに、ｘｙ平面に投射されたビーム１０６は、中心軸１０４を中心とする円形軌道１０８をたどる。
【0088】
図１２は、１つの例示的な操作シナリオにおける３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０の別の実施形態を示す図である。３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０には、下部ハウジング１１と、赤外線（例えば、７００から１，７００ナノメートルのスペクトル範囲内の波長を持つ光）を透過する材料で構成されている円筒シェル要素１３を有する上部ハウジング１２とが含まれる。１つの例では、円筒シェル要素１３は、９０５ナノメートルを中心とする波長を有する光に対して透明である。
【0089】
図１２に示すように、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０から複数の光ビーム１５が、角度範囲βにわたって円筒シェル要素１３を通って放射される。図１２に示す実施形態では各光ビームの主光線が示されている。各光ビームは、複数の異なる方向で周囲の環境へと外向きに投射される。例えば、ビーム１６は、周囲環境の位置１７へと投射される。いくつかの実施形態では、システム１０から放射された光の各ビームはわずかに発散する。１つの例では、システム１０から放射された光ビームは、システム１０から１００メートルの距離で直径２０センチメートルのスポットサイズを照射する。このように、照明光の各ビームは、システム１０から放射される照明光の円錐となる。
【0090】
図１２に示す実施形態では、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４の周りの複数の光ビーム１５のそれぞれでスキャンするように構成されている。例示の目的で、光ビーム１５は、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０の非回転座標フレームに対してある角度方向で示され、光線１５'は、この非回転座標フレームに対して別の角度方向で示されている。光ビーム１５が中心軸１４を中心に回転すると、周囲の環境に投影される各光ビーム（例えば、各ビームに関連付けられた各照明光の円錐）は照明ビームが中心軸１４の周りをスイープするときに、対応する環境を照射する。
【0091】
図１３は、例示的な１つの実施形態における３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図を示している。３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００には、中心軸１０４を中心として回転する光放射／収集エンジン１１２がさらに含まれる。図１３に示す実施形態では、光放射／収集エンジン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１３に示すように、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００には、下部ハウジング１０１に固定された位置に取り付けられた静止電子基板１１０が含まれる。回転電子基板１１１は静止電子基板１１０の上に配置され、静止電子基板１１０に対して所定の回転速度（例えば、毎分２００回転以上）で回転するように構成される。電力信号と電子信号は、１つ以上の変圧器、コンデンサ素子、又は光学素子を通って電子基板１１０と回転電子基板１１１との間で伝達され、これらの信号の非接触伝送が行われることになる。光放射／収集エンジン１１２は、回転する電子基板１１１に固定して設置され、したがって、所定の角速度ωで中心軸１０４の周りを回転する。
【0092】
図１３に示すように、光放射／収集エンジン１１２には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイが含まれる。１つの態様では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、光放射素子、光検出素子、及び共通基板（例えば、プリント回路基板又は他の電気回路基板）上に統合された関連する制御用及び信号調整用電子機器が含まれる。
【0093】
各統合ＬＩＤＡＲ測定装置から放射された光は一連の光学素子１１６を通過し、放射された光をコリメートして３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステムから環境に投射する照明光のビームを生成する。このようにして、別々のＬＩＤＡＲ測定装置から放出される光ビーム１０５のアレイは、図１１に示すように３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００から放射される。一般に、３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光線を同時に放射するために、任意の数のＬＩＤＡＲ測定装置を配置できる。特定のＬＩＤＡＲ測定装置による照明により環境内のオブジェクトから反射された光は、光学素子１１６によって収集される。収集された光は光学素子１１６を通過し、そこで同じ特定のＬＩＤＡＲ測定装置の検出素子に焦点が合わせられる。このようにして、異なるＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明による、環境の異なる部分の照明に関連する収集光は、対応する各ＬＩＤＡＲ測定装置の検出器に別々に焦点を合わせられる。
【0094】
図１４は、光学素子１１６の詳細を示す。図１４に示すように、光学素子１１６には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器上に収集光１１８を集束させるように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ～Ｄが含まれる。図１４に示す実施形態では、光学系１１６を通過する光は、ミラー１２４で反射され、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各検出器に向けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上の光学要素１１６は、所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料で構成される。所定の波長範囲には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイによって放射される光の波長が含まれる。１つの例では、レンズ要素の１つ以上は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１１３のアレイの各々によって生成される赤外線よりも短い波長を有する光を吸収する着色剤添加物を含むプラスチック材料で構成される。１つの例では、着色剤はＡａｋｏ ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ７２７６Ａ（オランダ）である。一般に、任意の数の異なる着色剤を光学系１１６のプラスチックレンズ要素のいずれかに加えて、望ましくないスペクトルを除去することができる。
【0095】
図１５は、収集された光１１８の各ビームの形を示す光学系１１６の断面図である。
【0096】
このように、図２に示された３Ｄ－ＬＩＤＡＲシステム１０などのＬＩＤＡＲシステム及び図１１に示されたシステム１００には、それぞれがＬＩＤＡＲ装置から周囲環境に照明光のパルスビームを放射し、周囲環境内のオブジェクトから反射された戻り光を測定する複数の統合ＬＩＤＡＲ測定装置が含まれる。
【0097】
図１１及び図１２を参照しながら説明する実施形態のような、いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、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装置のベースフレームに対して回転する。しかし、一般に、統合ＬＩＤＡＲ測定装置のアレイは、任意の適切な方法（例えば、ジンバル、パン／チルトなど）で移動可能にすることも又はＬＩＤＡＲ装置のベースフレームに固定することもできる。
【0098】
他のいくつかの実施形態では、各統合ＬＩＤＡＲ測定装置には、統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームをスキャンするビーム方向付け要素（例えば、スキャニングミラー、ＭＥＭＳミラーなど）が含まれる。
【0099】
いくつかの他の実施形態では、２つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置の各々は、照明光のビームを周囲の環境のさまざまな方向に反射するスキャニングミラー装置（例えば、ＭＥＭＳミラー）に向かって、照明光のビームを放射する。
【0100】
さらなる態様において、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、これらの１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ測定装置によって生成された照明ビームを異なる方向に向ける光位相変調装置と光学的に通信を行う。光位相変調装置は、光位相変調装置の状態を変化させ、それにより光位相変調装置から回折される光の方向を変化させるための制御信号を受信する能動装置である。このようにして、１つ以上の統合ＬＩＤＡＲ装置によって生成された照明ビームは、さまざまな向きでスキャンされ、測定中の周囲の３Ｄ環境を効果的に調べる。周囲環境に投射された回折ビームはその環境と相互に影響しあう。それぞれの統合ＬＩＤＡＲ測定装置は、オブジェクトから収集された戻り光に基づいて、ＬＩＤＡＲ測定システムと検出されたオブジェクトとの間の距離を測定する。光位相変調装置は、統合ＬＩＤＡＲ測定装置と周囲環境の測定対象オブジェクトとの間の光路に配置される。したがって、照明光と対応する戻り光は、両方とも光位相変調デバイスを通過する。
【0101】
図１６は、ここに記載の統合ＬＩＤＡＲ測定装置による実施に適した、方法３００のフローチャートを示す。いくつかの実施形態では、統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０は、図１６に示した方法３００に従って動作可能である。しかしながら、一般に、方法３００の実行は、図１を参照して説明した統合ＬＩＤＡＲ測定装置１３０の実施形態に対するものに限定されない。これらの例示及びこれらに対応する説明は、多くの他の実施形態及び動作例を考えることができるため、例として示すものである。
【0102】
ブロック３０１において、パルストリガー信号に応答してプリント回路基板に取り付けられた窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの照明ドライバ集積回路（ＩＣ）によって電力のパルスが供給される。
【0103】
ブロック３０２では、プリント回路基板に取り付けられた照明源からの電力のパルスに応答して、照明光の測定パルスが放射される。
【0104】
ブロック３０３では、光の戻りパルスが検出される。戻りパルスは、対応する測定パルスによって照らされた周囲環境の位置から反射された測定パルスである。
【0105】
ブロック３０４では、ＬＩＤＡＲ装置から３次元環境内の測定場所へ、そしてＬＩＤＡＲ装置へ戻る測定パルスの飛行時間は、検出された光の戻りパルスに基づいて、プリント基板に取り付けられた戻りパルス受信ＩＣによって測定される。
【0106】
ここで説明したコンピューティングシステムには、パーソナルコンピュータシステム、メインフレーム、コンピューターシステム、ワークステーション、画像コンピュータ、パラレルプロセッサ、又は、当該技術分野で知られている他のデバイスを含めることができるが、これらに限定されない。一般に、「コンピューティングシステム」という用語は、記憶媒体からの命令を実行する１つ以上のプロセッサを有する装置を包含するように広く定義することができる。
【0107】
ここで説明したような方法を実行するプログラム命令は、有線、ケーブル、又は無線伝送リンクなどの伝送媒体を介して伝送することができる。プログラム命令は、コンピュータ読み取り可能媒体に保存される。例示的なコンピュータ読み取り可能媒体としては、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスク又は光ディスク、又は磁気テープが含まれる。
【0108】
１つ以上の例示的な実施形態では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせで実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、機能は、コンピュータ読み取り可能媒体上の１つ以上の命令又はコードとして格納又は送信することができる。コンピュータで読み取り可能媒体には、コンピュータの記憶媒体と、ある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任意の媒体を含む通信媒体の両方が含まれる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータがアクセスできる利用可能な任意の媒体とすることができる。限定するためではなく例示として、そのようなコンピュータ読み取り可能媒体には、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、所望のプログラムコードを命令又はデータ構造の形式で持ち運び又は格納のために使用することができ、汎用コンピュータ又は専用コンピュータ、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサからアクセスすることができる他の媒体を含むことができる。また、すべての接続は、コンピュータ読み取り可能媒体と称し得る。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術を使用して、Ｗｅｂサイト、サーバ、又はその他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は赤外線、ラジオ波、マイクロ波のような無線技術が媒体の定義に含まれる。ここで使用されるディスク及び磁気ディスクには、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーデイスクが含まれる。ここで、通常、磁気ディスクは磁気的にデータを再生するものであり、ディスクはレーザーで光学的にデータを再生するものである。これらの組み合わせもコンピュータ読み取り可能媒体の範囲内に含まれる。
【0109】
特定の実施形態を説明目的のために上述の通りで説明したが、この特許文書の教示は一般的な利用可能性を示し、上記の特定の実施形態に限定することを意味しない。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の様々な特徴の様々な修正、改変、及び組み合わせを実施することができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】