特許 7628126 ソリッドステートビームステアリングを含む高解像度周波数変調連続波ＬｉＤＡＲ

(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】2025-01-30

(45)【発行日】2025-02-07

(54)【発明の名称】ソリッドステートビームステアリングを含む高解像度周波数変調連続波ＬｉＤＡＲ

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/34 20200101AFI20250131BHJP

   G01S 7/481 20060101ALI20250131BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

G01S7/481 A

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2022541239

(86)(22)【出願日】2020-12-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-09

(86)【国際出願番号】 US2020067361

(87)【国際公開番号】W WO2021138358

(87)【国際公開日】2021-07-08

【審査請求日】2023-10-04

(31)【優先権主張番号】62/957,050

(32)【優先日】2020-01-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/960,686

(32)【優先日】2020-01-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520390450

【氏名又は名称】オーロラ・オペレイションズ・インコーポレイティッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＵＲＯＲＡ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳ， ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】１６５４ Ｓｍａｌｌｍａｎ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ， ＰＡ １５２２２， ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(72)【発明者】

【氏名】リン・セン

(72)【発明者】

【氏名】ホセイニ・アミール

【審査官】佐藤 宙子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－２００２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０４９２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５０２３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７９６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０３１３２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２０９３６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０３７９１８５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ソリッドステート周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）光検出および距離測定（ＬｉＤＡＲ）システムの焦点平面アレイ（ＦＰＡ）システムとして、
ＬｉＤＡＲチップ上のスイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ、Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌ Ａｒｒａｙ）－前記ＳＣＰＡは、コヒーレントピクセル（ＣＰ）を含み、それぞれの前記コヒーレントピクセルは、コヒーレント光を放出するように構成される－と、
前記ＳＣＰＡから放出されるコヒーレント光を１つ以上の光ビームとして環境内に指向させるように位置するレンズシステム－前記１つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、前記１つ以上の光ビームの波長は、一定の波長範囲にわたって調整され、前記特定の角度は、前記一定の波長範囲にわたって調整された前記波長と、前記１つ以上の光ビームを形成する前記コヒーレント光を生成した前記ＬｉＤＡＲチップ上の前記ＣＰの位置とに部分的に基づく－と、を含む焦点平面アレイシステム。

【請求項2】

前記焦点平面アレイシステムは、
前記ＳＣＰＡの互いに異なるＣＰの選択的活性化に部分的に基づき、前記環境内で２次元で前記１つ以上の光ビームを第１スキャニング解像度でスキャンするように構成される請求項１に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項3】

前記焦点平面アレイシステムは、
前記レンズシステムから放出される前記１つ以上の光ビームを前記環境内に回折させるように位置するが、回折量は、前記１つ以上の光ビームの前記波長に部分的に基づく回折格子をさらに含み、
前記回折格子の回折量が前記第１スキャニング解像度よりも細かい第２スキャニング解像度を提供するように変更される請求項２に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項4】

前記回折格子は、第１回折次数の光を主に放出するブレーズド格子（Ｂｌａｚｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）である請求項３に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項5】

前記回折格子は、反射型回折格子である請求項３に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項6】

前記回折格子は、透過型回折格子である請求項３に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項7】

前記ＳＣＰＡの第１セットのＣＰは、前記第１セットの各ＣＰから放出されたコヒーレント光が前記環境内の第１連続線のそれぞれのセクションにマッピングされ、
前記ＳＣＰＡの第２セットのＣＰは、前記第２セットの各ＣＰから放出されたコヒーレント光が前記環境内の前記第１連続線とは異なる第２連続線のそれぞれのセクションにマッピングされる請求項３に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項8】

前記１つ以上の光ビームの一部は、環境内のオブジェクトに反射され、ＳＣＰＡの少なくとも２つのＣＰのグループによって検出され、
それぞれのＣＰのグループは、前記環境の異なる領域に対応し、
スライディング離散フーリエ変換（ＳＤＦＴ、Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）が前記１つ以上の光ビームの検出された部分から前記オブジェクトの角度位置（Ａｎｇｕｌａｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を補間するために使用される請求項１に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項9】

コヒーレント光を前記焦点平面アレイシステムに提供するＦＭＣＷソースによって放出される前記コヒーレント光の周波数応答は、三角波形であり、ＳＤＦＴに対するピクセル時間と同じ周期を有する請求項８に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項10】

第１ＦＭＣＷソースおよび第２ＦＭＣＷソースは、コヒーレント光を前記焦点平面アレイシステムに提供するように構成され、
第１ＦＭＣＷソースは、第１位相で三角波形である第１周波数応答を有するコヒーレント光を放出するように構成され、
第２ＦＭＣＷソースは、第２位相で三角波形である第２周波数応答を有するコヒーレント光を放出するように構成され、
前記第２位相は、前記第１位相とは１８０度異なる請求項８に記載の焦点平面アレイシステム。

【請求項11】

ソリッドステート周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）光検出および距離測定（ＬｉＤＡＲ）システムとして、
コヒーレント光を放出するレーザーソースと、
ＬｉＤＡＲチップ上のスイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ、Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌ Ａｒｒａｙ）－前記ＳＣＰＡは、少なくとも前記レーザーソースからの前記コヒーレント光を用いて１つ以上のコヒーレントピクセル（ＣＰ）を介して前記コヒーレント光を選択的に放出するように構成される－と、
前記ＳＣＰＡから放出されるコヒーレント光を１つ以上の光ビームとして環境内に指向させるように位置するレンズシステム－前記１つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、前記１つ以上の光ビームの波長は、一定の波長範囲にわたって調整され、前記特定の角度は、前記一定の波長範囲にわたって調整された前記波長と、前記１つ以上の光ビームを形成する前記コヒーレント光を生成した前記ＬｉＤＡＲチップ上の前記ＣＰの位置とに部分的に基づく－と、を含むＬｉＤＡＲシステム。

【請求項12】

前記ＬｉＤＡＲシステムは、
前記ＳＣＰＡの互いに異なるＣＰの選択的活性化に部分的に基づき、前記環境内で２次元で前記１つ以上の光ビームを第１スキャニング解像度でスキャンするように前記ＬｉＤＡＲチップに指示するように構成されるコントローラをさらに含む請求項１１に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項13】

前記ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、
前記レンズシステムから放出される前記１つ以上の光ビームを前記環境内に回折させるように位置するが、回折量は、前記１つ以上の光ビームの前記波長に部分的に基づく回折格子をさらに含み、
前記回折格子の回折量が前記第１スキャニング解像度よりも細かい第２スキャニング解像度を提供するように変更される請求項１２に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項14】

前記回折格子は、第１回折次数の光を主に放出するブレーズド格子（Ｂｌａｚｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）である請求項１３に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項15】

前記回折格子は、反射型回折格子である請求項１３に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項16】

前記回折格子は、透過型回折格子である請求項１３に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項17】

前記ＳＣＰＡの第１セットのＣＰは、前記第１セットの各ＣＰから放出されたコヒーレント光が前記環境内の第１連続線のそれぞれのセクションにマッピングされ、
前記ＳＣＰＡの第２セットのＣＰは、前記第２セットの各ＣＰから放出されたコヒーレント光が前記環境内の前記第１連続線とは異なる第２連続線のそれぞれのセクションにマッピングされる請求項１３に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項18】

前記１つ以上の光ビームの一部は、環境内のオブジェクトに反射され、前記ＳＣＰＡの少なくとも２つのＣＰのグループによって検出され、
それぞれのＣＰのグループは、前記環境の異なる領域に対応し、
スライディング離散フーリエ変換（ＳＤＦＴ、Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）が前記１つ以上の光ビームの検出された部分から前記オブジェクトの角度位置（Ａｎｇｕｌａｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を補間するために使用される請求項１１に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項19】

前記コヒーレント光の周波数応答は、三角波形であり、ＳＤＦＴに対するピクセル時間と同じ周期を有する請求項１８に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【請求項20】

前記レーザーソースから放出される前記コヒーレント光は、第１位相で三角波形である周波数応答を有し、前記ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、
第２位相で三角波形である第２周波数応答を有するコヒーレント光を放出するように構成され、前記第２位相は、前記第１位相とは１８０度異なる第２レーザーソースをさらに含み、
前記ＳＣＰＡから放出される前記コヒーレント光は、前記レーザーソースおよび前記第２レーザーソースから放出されるコヒーレント光をすべて含む請求項１８に記載のＬｉＤＡＲシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願についての相互参照
本出願は、全体の開示内容が本明細書に参照として含まれる２０２０年１月３日付に出願された米国仮出願番号第６２／９５７、０５０号および２０２０年１月１３日付に出願された米国仮出願番号第６２／９６０、６８６号についての３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ｅ）下の優先権を主張する。

【0002】

本開示の内容は、一般的に、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ Ｗａｖｅ）ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｎｇｅ）に関するものであって、より具体的には、ソリッドステート（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ）ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムに関する。

【背景技術】

【0003】

従来のＬｉＤＡＲシステムは、レーザービームをステアリングするために機械的移動部品およびバルク（Ｂｕｌｋ）光学レンズ素子（すなわち、屈折レンズシステム）を使用する。そして、多数の応用（例えば、自動車）の場合、かさばりすぎ、高価で信頼できない。

【発明の概要】

【0004】

ソリッドステート周波数変調連続波（ＦＭＣＷ、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ Ｗａｖｅ ）光検出および距離測定（ＬｉＤＡＲ）システムは、環境内の１つ以上のオブジェクトの深さ情報を決定するように構成される。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、焦点平面アレイ（ＦＰＡ、Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）システムおよび１つ以上のレーザーソースを含む。１つ以上のレーザーソース（例えば、波長可変レーザーアレイ）は、ＦＰＡシステムが１つ以上のビームを生成し、環境内にわたって前記１つ以上のビームをスキャン（例えば、２次元で）するように、ＦＰＡシステムに光を提供する。ＦＰＡシステムは、スイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ、Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌ Ａｒｒａｙ）およびレンズシステムを含む。ＳＣＰＡは、ＬｉＤＡＲチップ上に位置し、コヒーレントピクセル（ＣＰ）を含む。それぞれのＣＰは、コヒーレント光を放出するように構成される。レンズシステムは、ＳＣＰＡから放出されるコヒーレント光を１つ以上の光ビームとして環境内に指向させるように位置設定される。そして、１つ以上の光ビームは、それぞれ特定の角度で放出され、前記特定の角度は、部分的に前記１つ以上の光ビームを形成するコヒーレント光を生成したＬｉＤＡＲチップ上のＣＰの位置に部分的に基づく。

【図面の簡単な説明】

【0005】

本開示の実施形態の他の利点および特徴は、添付の図面の例に関連する以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲からより確実に明らかになるであろう。

【0006】

【図1】１つ以上の実施形態による光集積ＬｉＤＡＲチップ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ＬｉＤＡＲ Ｃｈｉｐ）上のスイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイの実装を示す。

【0007】

【図2a】１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセル（ＣＰ）を示す。

【図2b】１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセル（ＣＰ）を示す。

【図2c】１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセル（ＣＰ）を示す。

【図2d】１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセル（ＣＰ）を示す。

【0008】

【図3】１つ以上の実施形態によるソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける光ビームステアリング構造を示す。

【0009】

【図4a】１つ以上の実施形態による透過型回折格子を含むソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのための光ビームステアリング構造を示す。

【0010】

【図4b】１つ以上の実施形態による反射型回折格子を含むソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのための光ビームステアリング構造を示す。

【0011】

【図5】図４ａおよび図４ｂのソリッドステートＬｉＤＡＲシステムによって生成されたスキャニングおよび取得パターンの例を示す。

【0012】

【図6】１つ以上の実施形態によるソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのＣＰとレーザーソースとの間の２つの同期方法を示す。

【0013】

【図7】１つ以上の実施形態によるＦＰＡシステムを含むソリッドステートＬｉＤＡＲシステムを示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

ＬｉＤＡＲシステムは、システムの視野についての深さ情報（例えば、１つ以上のオブジェクトについての距離、速度、加速度）を決定する。ＬｉＤＡＲシステムは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬｉＤＡＲである。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲは、周波数変調されたコリメート光ビームをターゲットに指向することによって、オブジェクトの距離と速度を直接測定する。オブジェクトから反射した光である信号（Ｓｉｇｎａｌ）は、局部発振器（ＬＯ）と呼ばれる前記ビームのタップバージョン（Ｔａｐｐｅｄ Ｖｅｒｓｉｏｎ）とミキシングされる。その結果で生成される無線周波数（ＲＦ）ビート信号の周波数は、追加測定が要求されるドップラーシフトによって補正されると、ＬｉＤＡＲシステムからオブジェクトまでの距離に比例する。同時に行われるか、またはそうでない２つの測定は、ターゲットの距離と速度情報を提供する。

【0015】

ソリッドステート（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ）ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムが本明細書で説明される。ソリッドステートＬｉＤＡＲシステムは、焦点平面アレイ（ＦＰＡ、Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）システムおよびレーザーソースを含む。レーザーソースは、ＦＰＡシステムにコヒーレント（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）光を提供する。ＦＰＡシステムは、相互型システムであり得る。ＦＰＡシステムは、レンズシステム、ＬｉＤＡＲチップ、およびさらに回折格子を含み得る。ＬｉＤＡＲチップは、光学レンズから焦点距離に配置されたソリッドステート２次元ＳＣＰＡ（Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌｓ Ａｒｒａｙ）を含む。ＳＣＰＡは、複数のＣＰ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌ）を含む。ＦＰＡシステムは、ＣＰを選択的に活性化して（レーザーソースから受信した）光を放出することができる。
各ＣＰは、光アンテナとコヒーレント光受信機を含む。光学レンズは、入射するビームの方向を焦点平面（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ）の焦点（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｓｐｏｔ）位置にマッピングし、ＣＰから放出される光をチップ上でＣＰの位置に応じて環境（例えば、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムの周辺領域）で異なる角度にマッピングする。オンチップスイッチは、光を選択されたＣＰにルーティングし、光学レンズを介してビームを個別角度位置にステアリングする。出射光の垂直および水平角度は、光学レンズの主軸（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ａｘｉｓ）についてのチップの光アンテナの位置によって決定される。マルチチャンネル個別ビームステアリングは、多数のスイッチネットワークで多数の光アンテナを同時にスイッチングすることによって達成される。

【0016】

一部の実施形態において、回折格子（透過型または反射型）が精密スキャン性能を提供するために使用される。回折格子は、レンズシステムから環境に放出される１つ以上のビームを回折するように配置される。回折格子は、光を複数の方向または回折次数に分割、屈折または反射する周期構造である。出射光の角度は、格子の周期、光ビームの波長、および入射角によって変わる。本技術分野の通常の技術者は、回折格子および入射角を設計して光が主に一方向（例えば、ブレーズド格子）、すなわち、一般的に一次（Ｆｉｒｓｔ Ｏｒｄｅｒ）にのみ指向されるようにすることができる。一部の実施形態において、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＦＰＡシステムが波長範囲にわたって光ビームを出力できるように調整可能な光源であるレーザーソースを含む。したがって、光源の波長を変化させることによって、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＳＣＰＡによって設定された２つの個別ステアリング位置の間で出射される光をステアリングすることができる。これにより、異なるＣＰを選択的に活性化することに関連するスキャニング解像度よりも微細なスキャニング解像度を提供し得る。

【0017】

光ファイバーおよび個別光学部品、例えば、光干渉計、光ディレイライン、光循環器などを用いた従来のＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、自動車およびロボット工学などの多くのアプリケーション分野で使用されるには、体積が大きく、高価で信頼性が低い。対照的に、前述のソリッドステートＬｉＤＡＲシステムは、１つの半導体チップに光ダイオードおよび光位相シフタなどの光電子部品だけでなく、前述した光学部品を統合することによって、これらの問題を克服する。さらに、ソリッドステートＬｉＤＡＲシステムは、チップ上でビームステアリング（Ｂｅａｍ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）機能を実現し、システムで機械的に動く部品を除去することによって、コストとフォームファクタをさらに削減し、信頼性を向上させることができます。

【0018】

図１は、１つ以上の実施形態による光集積ＬｉＤＡＲチップ１１１上のスイッチ可能なコヒーレントピクセルアレイ（ＳＣＰＡ、Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｉｘｅｌ Ａｒｒａｙ）の実装を示す。ＬｉＤＡＲチップは、光集積回路（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。チップは、複数の基本機能サブアレイ１００を含み得る。それぞれのサブアレイ１００は、光入出力（Ｉ／Ｏ）ポート１０２、選択的な１－Ｋ光スプリッタ１０３、および１つ以上のＳＣＰＡ１０１を含み、ここでＫは、整数である。１－Ｋ光スプリッタ１０３は、受動型でも能動型でもよい。それぞれの光Ｉ／Ｏは、オフチップ（Ｏｆｆ－Ｃｈｉｐ）またはオンチップ（Ｏｎ－Ｃｈｉｐ）レーザー（例えば、レーザーソース）によって提供される周波数変調光源によって供給される。光Ｉ／Ｏの数を減らすために、選択的な１－Ｋ光スプリッタを介して光パワーがオンチップに分配され得る。図示の実施形態において、１－Ｋ光スプリッタ１０３のそれぞれの出力は、対応するＳＰＣＡ１０１に供給される。図示の実施形態において、それぞれのＳＣＰＡ１０１は、Ｍ個のコヒーレントピクセル１０５および光スイッチネットワーク１０４を含み、ここでＭは、整数である。一部の場合によっては、１つ以上の光スイッチネットワーク１０４、選択的な１－Ｋ光スプリッタ１０３、またはこれらの一部の組み合わせは、単に光スイッチと呼ばれる可能性があることに留意されたい。光スイッチは、入力ポート１０２をコヒーレントピクセル内の光アンテナにスイッチ可能に結合するように構成され、これにより入力ポートと光アンテナとの間に光路を形成する。光スイッチは、複数の能動光スプリッタを含み得る。一部の実施形態において、光スイッチは、ＦＭＣＷトランシーバのスキャン期間中に周波数変調されたレーザー信号を一度に１つずつ光アンテナのそれぞれに光学的に結合する。

【0019】

光スイッチネットワーク１０４は、距離測定および検出のために周波数変調された光（ＦＭ Ｌｉｇｈｔ）を送受信するようにＭ個のコヒーレントピクセルのうち、１つ以上を選択する。コヒーレントピクセルは、チップ上に物理的に１次元アレイ（例えば、線形アレイ）または２次元アレイ（例えば、長方形または規則性アレイ（例えば、グリッドのような非ランダム型配列））に配列され得る。一部の実施形態において、選択されたコヒーレントピクセルは、光を自由空間に送信し、リターンされる光信号を受信し、コヒーレント検出を行い、光信号をデジタル信号処理のために電気信号に直接変換できる。受信された光信号は、検出できるようにスイッチネットワークを介して再び伝播されず、代わりに（例示された実施形態には示されていないが）出力が個別にルーティングされ、これは損失を低減し、それに応じて信号品質を改善することに留意されたい。

【0020】

図２ａ～図２ｄは、１つ以上の実施形態による４つのバージョンのコヒーレントピクセル（ＣＰ）を示す。図２ａおよび図２ｂにおいて、光スイッチネットワークからの光がＣＰの光入力ポート２０３に提供される。光スプリッタ２１２は、光をＴＸ信号２０５および局部発振器２１４（ＬＯ、Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）と呼ばれる２つの出力ポートに分割する。ＴＸ信号２１５は、１つの偏光（例えば、ＴＭ）を有する偏光分割光アンテナ２１０を使用してチップから環境に直接送信される。偏光分割光アンテナ２１０は、測定対象オブジェクトから反射したビームを収集し、直交偏光（例えば、ＴＥ）を導波管２１３に結合し、これを光ミキサー２０１に直接送信する。この場合、偏光分割光アンテナ２１０によって受信された光信号は、追加のスプリッタまたは「疑似サーキュレータ」によってさらに分割されていない。ポート２１３とＬＯ２１４から受信した信号は、光ミキサー２０１によるコヒーレント検出のためにミックスされ、このとき、光ミキサー２０１は、図２ａのような平衡２×２光結合器２０１（Ｂａｌａｎｃｅｄ ２×２ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ）または図２ｂのような光学ハイブリッド２０９であり得る。最後に、図２ａにおける一対のフォトダイオード２０７（ＰＤ）と図２ｂにおける４つのＰＤがビートトーン検出のために光信号を電気信号に変換する。この設計は、すべての単一のコヒーレントピクセルについて非常に効率的な統合サーキュレータを実装し、超高感度のオンチップモノスタティックＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲを可能にする。
図２ｃおよび図２ｄに示されるように、ＴＸ信号２１５およびＬＯ２１４は、追加の柔軟性を提供するために個別にＣＰに供給され得る。例えば、ＴＸ信号または局部発振器は、２つの個々のスイッチネットワークを介してＣＰにルーティングできる。

【0021】

図３は、１つ以上の実施形態によるソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムにおける光ビームステアリング構造を示す。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＬｉＤＡＲチップ１１１およびレンズシステム３００を含む。図示の実施形態において、ＬｉＤＡＲチップ１１１上のＳＣＰＡのＣＰ１０５は、レンズシステム３００の焦点距離に位置する。レンズシステム３００は、それぞれのＣＰ１０５の物理的位置を固有の方向にマッピングする１つ以上の光学素子（例えば、正レンズ、フリーフォームレンズ、フレネルレンズなど）を含む。レンズシステム３００は、複数のアンテナのそれぞれのアンテナから放出された送信信号を視野の対応する部分（例えば、環境の領域）に投影し、前記送信信号の反射をアンテナに提供するように構成される。それぞれの光アンテナは、互いに異なる角度で光を送受信する。したがって、異なるアンテナへの転換を通じて、離散光ビームスキャニング（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｉｎｇ）が達成される。レーザービーム３０１の水平角θ_ｈおよび垂直角θ_ｖは、レンズシステム３００の主軸（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ａｘｉｓ）に対する光アンテナを含むＣＰの位置によって設定される。ＳＣＰＡは、異なる方向にスキャンするときに同じまたは異なるステップのサイズを有し得る。例えば、ＬｉＤＡＲチップ１１１の総ＣＰ数によって制限されるＳＣＰＡ支援離散ビームスキャニング（ＳＣＰＡ－Ｅｎａｂｌｅｄ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｉｎｇ）は、１つの次元で細かい角度のステップサイズを有し、他の次元で粗い角度のステップサイズを有し得る。

【0022】

図４ａは、１つ以上の実施形態による透過型回折格子４００を含むソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのための光ビームステアリング構造を示す。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＬｉＤＡＲチップ１１１、レンズシステム３００、および透過型回折格子４００を含む。ＬｉＤＡＲチップ１１１およびレンズシステム３００は、環境に出射されるビーム４００、４０１を生成するために図３を参照して説明したように動作する。透過型回折格子４００は、レンズシステム３００から出射されるビーム４００、４０１の方向を変更する。回折角度は、ＬｉＤＡＲチップ１１１に対する入力光源の光学波長を調整して変更されることによって、レンズシステム３００からの出力の（例えば、ＣＰ放出光の位置に基づく）粗い離散ステアリング位置の間で連続的なステアリングを許容する。例えば、λ_１、λ_２およびλ_３は、３つの異なる光学波長を示し、示されるように、透過型回折格子は、互いに異なる波長の光を互いに異なる位置に回折させる。したがって、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、環境の特定の領域にビームを配置するために異なるＣＰから光を放出し（すなわち、粗い光学ステアリング）、ビームのより微細な光学ステアリングのために放出されたビームの波長を調整（例えば、λ_ｍｉｎからλ_ｍａｘに）できる。格子は、１Ｄ格子または２Ｄ格子であり得る。一部の実施形態において、格子は、大部分の電力を単一の順序で集中させるように設計されたブレーズド格子（Ｂｌａｚｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）である。一部の実施形態において、格子は、例えば、望ましくない高次（Ｈｉｇｈｅｒ Ｏｒｄｅｒ）に漏れたエネルギーを抑制するように設計されたカスタム型２Ｄ格子であり、１Ｄ格子またはこれらの一部の組み合わせについて発生し得るクロマチック線形スキャン（Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ）の角度歪曲を補償する。

【0023】

図４ｂは、１つ以上の実施形態による反射型回折格子４１０を含むソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのための光ビームステアリング構造を示す。図４ｂのソリッドＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、図４ａのソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムと実質的に同じ方法で動作する。

【0024】

したがって、図４ａおよび図４ｂの格子は、レンズシステム３００から放出された１つ以上のビームを環境に回折させるように位置し、回折の量は、１つ以上のビームの波長に部分的に基づく。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、波長の範囲にわたって１つ以上のビームの波長を調整することによって（すなわち、ＳＣＰＡの互いに異なるＣＰの選択的活性化に部分的に基づいて）、回折量が第１スキャニング解像度よりも細かい第２スキャニング解像度（すなわち、格子の解像度）を提供するように変更できる。

【0025】

図５は、図４ａおよび図４ｂのソリッドステートＬｉＤＡＲシステムによって生成されたスキャニングおよび取得パターンの例を示す。λ_ｍｉｎからλ_ｍａｘまでのクロマチックスキャンにより、各コヒーレントピクセルは、自由空間内で連続的なラインのセクション（以下、スキャンラインと呼ぶ）を生成でき、環境に投影された互いに異なるスキャンラインにマッピングされる互いに異なるコヒーレントピクセル（例えば、ＣＰ１、ＣＰ２）を生成することができる。

【0026】

ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲは、各スキャンラインについての連続信号を受信し、これは、通常、完全な距離および速度の測定を行い、個々のＬｉＤＡＲポイントを生成するために必要なタイムウィンドウ（例えば、数ミリ秒）よりもはるかに（例えば、１０－１００倍）長い。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの距離および速度の測定は、主に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）形式のフーリエ変換から抽出された情報に基づく。各スキャンラインについて、連続的なタイム－ドメイン信号の連続的かつ非重畳的な分割についてＦＦＴが行われ得る。例えば、必要なタイムウィンドウが１０μｓであり、スキャンラインが１ｍｓである場合、一般的に１００回のＦＦＴが行われ、～１００個のＬｉＤＡＲポイントを生成する。スライディング離散フーリエ変換（ＳＤＦＴ、Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）は、各ピクセルグループ内で連続スキャンの角度位置を補間することによって、一般的な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）と比較してはるかに高い解像度を達成することができる。ＳＤＦＴを使用すると、測定間隔（角度ステップサイズ）を必要なタイムウィンドウの一部に設定することができる。例えば、タイムウィンドウが１０μｓであり、スキャンラインが１ｍｓである場合、もし測定間隔が５μｓに設定されれば、２００回のＳＤＦＴ遂行を通じて～２００個のＬｉＤＡＲポイントを生成することができる。ＬｉＤＡＲポイントの数は、非重畳ＦＦＴの場合に比べて２倍になる。測定間隔が小さいほど、固定スキャンラインについてのポイントの個数は増加できる。隣接する２つのサブフレームのスキャンラインの間の選択的空間重畳は、ＳＤＦＴウィンドウがスライドするのに十分なヘッドルームを保証する。このように、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、１つ以上のビームを環境に投影することができる。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、複数のＣＰグループを含むＳＣＰＡを含む。各ＣＰグループは、環境の他の領域に対応する。１つ以上のビームの一部は、環境内のオブジェクトに反射され、少なくとも２つのグループのＣＰによって感知される。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ＳＤＦＴを使用して１つ以上のビームの検出された部分からオブジェクトの角度位置を補間することができる。

【0027】

ＦＭＣＷレーザーソースは、時間ドメインでＬｉＤＡＲピクセルに同期する周波数チャープを生成する。各ピクセルについて、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲの周波数応答の１つの上向きランプと１つの下向きランプを使用してドップラー効果に基づいて速度と距離を同時に計算できる。

【0028】

図６は、１つ以上の実施形態によるソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのＣＰとレーザーソースとの間の２つの同期方法を示す。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、本明細書に記載の実施形態のいずれかであり得る。図６は、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムのレーザーソースをチャープする２つの方法（ＡおよびＢ）を示す。横軸は時間、縦軸は周波数である。方法Ａにおいて、光は、周波数応答がＳＤＦＴのピクセル時間と同じ周期を有する三角波形になるようにチャープされる。ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、ビームを環境にスキャンし、スキャン中に環境内のオブジェクトから反射した光の周波数を測定する。各測定には、有限の時間がかかる。２つの測定－１つはレーザー周波数が線形的に増加する間（上向きランプ）、ほかの１つはレーザー周波数が線形的に減少する間（下向きランプ）－が単一ポイント測定に使用される。ピクセル時間は、上向きランプおよび下向きランプの連続したペアを示す。

【0029】

方法Ｂにおいて、レーザーソース（または多数のソース）は、２つの相補的な（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）三角形チャープ信号（チャープ１およびチャープ２と表記される）が存在するようにチャープされる。このような相補的なチャープ信号は、同じ光ビームに適用されるか、または２つの個別ビームに適用されることもできる。例えば、２つのビームの場合、第１レーザー光源は、チャープ１周波数応答を有するようにチャープされ、第２レーザー光源は、同時にチャープ２周波数応答を有するようにチャープされる。したがって、レーザー光源は、相補的な方法で同時にチャープされ（すなわち、同じパターンを有するが、位相が１８０度異なる）、単一のピクセル時間にわたって上向きランプおよび下向きランプ測定を同時に提供する。単一のレーザーソースを使用する実施形態において、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、レーザーソースをチャープ（例えば、チャープ１）し、スキャンする間、オブジェクトについての上向きランプ測定を行う。次に、ソリッドステートＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲシステムは、相補的な方法でビームをチャープ（例えば、チャープ２）し、（オブジェクトの同じ位置について）下向きランプ測定を行う。この場合、両方のチャープ信号の周期が単一のフーリエ変換を行うのに必要なタイムウィンドウと同じである必要はない。これはＦＭＣＷソースについてのチャーピング帯域幅の要求事項を軽減する。両方の方法も、各ＳＤＦＴウィンドウで周波数上向きランプおよび下向きランプについて常に同じ持続時間を確認するように保証する。複雑な信号（例えば、光ハイブリッドのＩ／Ｑなど）を生成するＣＰを使用することによって、ＦＭＣＷ測定（速度および距離計算）を曖昧さなしに行い得る。ローカル周波数変調は、クロマチックスキャンに使用できる遅く変化する波長スイープ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｗｅｅｐ）の上に追加されることがあることに留意されたい。

【0030】

図７は、１つ以上の実施形態によるＦＰＡシステムを含むソリッドステートＬｉＤＡＲシステムを示す。ＦＰＡシステムは、相互型システムであり得る。ＦＰＡシステムは、光学回折格子７０５、レンズシステム３００、およびＬｉＤＡＲチップ１１１を含む。回折格子は、図４ａおよび図４ｂで説明したように、透過型（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）回折格子または反射型（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）回折格子であり得る。ＬｉＤＡＲチップ１１１内のＣＰは、ＦＰＡドライバ７１０によって制御される１つ以上のＳＰＣＡ１０１の一部である。ＬｉＤＡＲチップ１１１の１つ以上の個別ＣＰは、光を放出および受信するように活性化できる。ＬｉＤＡＲチップ１１１によって放出された光は、Ｑ－チャンネルレーザーアレイ７１５によって生成される。Ｑ－チャンネルレーザーアレイ７１５は、Ｑ個の並列チャンネルを有するレーザーアレイであり、ここでＱは、整数である。Ｑ－チャンネルレーザーアレイ７１５は、ＬｉＤＡＲチップ１１１と直接統合できるか、またはＬｉＤＡＲチップ１１１と一緒にパッケージ化された別のモジュールであり得る。Ｑ－チャンネルレーザーアレイ７１５は、レーザーコントローラ７２０によって制御される。一部の実施形態において、Ｑ－チャンネルレーザーアレイ７１５は、一定の波長範囲にわたって調整（Ｔｕｎａｂｌｅ）されることができる。

【0031】

レーザーコントローラ７２０は、デジタル－アナログコンバータ７３０を介してＬｉＤＡＲ処理エンジン７２５から制御信号を受信する。また、処理は、ＦＰＡドライバ７１０を制御し、ＬｉＤＡＲチップ１１１からデータを送受信する。

【0032】

ＬｉＤＡＲ処理エンジン７２５は、マイクロコンピュータ７３５を含む。マイクロコンピュータ７３５は、ＦＰＡシステムから来るデータを処理し、ＦＰＡドライバ７１０およびレーザーコントローラ７２０を介してＦＰＡシステムに制御信号を送信する。ＬｉＤＡＲ処理エンジン７２５は、また、Ｎチャンネル受信機７４０を含む。信号は、Ｎチャンネル受信機７４０によって受信され、前記信号は、Ｍチャンネルアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）７４５のセットを用いてデジタル化される。

【0033】

追加構成情報
図面および前述の説明は、単に例示として好ましい実施形態に関する。前述のように、本明細書に開示された構造および方法の代替的な実施形態は、請求項の原理から逸脱することなく採用できる実行可能な代替案として容易に認識されることに留意するべきである。

【0034】

詳細な説明は、多数の詳細を含むが、これらは本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、単に異なる例を例示するものと解釈されるべきである。本開示内容の範囲は、前記で詳細に説明していない他の実施形態を含むことを理解するべきである。本明細書に開示された方法および装置の配列、動作および詳細について、添付の特許請求の範囲で定義された思想および範囲から逸脱することなく、通常の技術を有する者に自明である様々な他の変形、変化および変更が行われ得る。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物によって決定されるべきである。

【0035】

代替実施形態は、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアおよび／またはこれらの組み合わせで実装される。実装例は、プログラマブルプロセッサによる実行のために機械読み取り可能な格納装置に実質的に具体化されたコンピュータプログラム製品として実装でき、方法ステップは、入力データについて動作して出力を生成することにより機能を行うために命令語プログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって行われ得る。実施形態は、有利には、データ格納システム、少なくとも１つの入力装置および少なくとも１つの出力装置からデータおよび命令語を受信し、これからデータおよび命令語を送信するように結合された少なくとも１つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステムで実行可能な１つ以上のコンピュータプログラムで実装できる。それぞれのコンピュータプログラムは、高度な手続き的またはオブジェクト指向のプログラミング言語または必要に応じてアセンブリまたは機械語で実装でき、任意の場合、言語は、コンパイルまたはインタープリトされた言語であり得る。適切なプロセッサは、例として、汎用および特殊目的のマイクロプロセッサを含む。一般的に、プロセッサは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および／またはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）から命令語およびデータを受信する。一般的に、コンピュータは、データファイルを格納するための１つ以上の大容量の格納装置を含み、このような装置は、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、および光ディスクを含む。コンピュータプログラム命令語およびデータを実質的に実装するのに適切な格納装置は、例として、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭおよびフラッシュメモリ装置などの半導体メモリ装置、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、およびＣＤ－ＲＯＭディスクを含むあらゆる形態の不揮発性メモリを含む。前述のすべては、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）および他の形態のハードウェアによって補完されるか、またはこれに統合され得る。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図2d】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7】