特表 2023-534560 連続波光検出と測距（ＬｉＤＡＲ）システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-10

(54)【発明の名称】連続波光検出と測距（ＬｉＤＡＲ）システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/34 20200101AFI20230803BHJP

   G02F 1/29 20060101ALI20230803BHJP

   G01S 7/4912 20200101ALI20230803BHJP

【ＦＩ】

G01S17/34

G02F1/29

G01S7/4912

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021525045

(86)(22)【出願日】2020-09-02

(85)【翻訳文提出日】2021-07-15

(86)【国際出願番号】 US2020049067

(87)【国際公開番号】W WO2021262207

(87)【国際公開日】2021-12-30

(31)【優先権主張番号】16/907,837

(32)【優先日】2020-06-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521194116

【氏名又は名称】ライトアイシー テクノロジーズ エチケー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＬＩＧＨＴＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＨＫ ＬＩＭＩＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】２９７６ Ｓｃｏｔｔ Ｂｌｖｄ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９５０５４ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100178434

【弁理士】

【氏名又は名称】李 じゅん

(72)【発明者】

【氏名】ソン ティアンボ

(72)【発明者】

【氏名】ソン ジェ

【テーマコード（参考）】

2K102

5J084

【Ｆターム（参考）】

2K102BA07

2K102BB08

2K102BD09

2K102DC08

2K102EB10

2K102EB11

2K102EB20

2K102EB22

2K102EB26

2K102EB28

5J084BA04

5J084BA45

5J084CA08

(57)【要約】

本明細書において、オンチップまたは一体化された連続波光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）の形態が記載されている。本形態は、１つまたは複数の光ビームを生成するように構成された１つまたは複数のレーザー光源と、それぞれ光ビームを受信するように構成された複数の光エンジンとを含んでもよい。光周波数は、予め決められたパターンで変調される。各光エンジンの光送器は、光ビームの第１の部分を受信し、光ビームの第１の部分を所定の角度で送信するように構成され得る。各光エンジンの光受信器は、物体から反射された光ビームの第１の部分を受信し、光ビームの反射された第１の部分をバランス検出器に送信するように構成され得る。バランス検出器は、光ビームの反射された第１の部分と光ビームの第２の部分との間のビートを検出するように構成され得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

連続波ＬｉＤＡＲ（光検出と測距）システムであって、
１つまたは複数の光ビームを生成するように構成され、前記光ビームの光周波数を予め決められたパターンで変調させる１つまたは複数のレーザー光源と、
１つまたは複数の前記光ビームをそれぞれ受信するように構成された１つまたは複数の光エンジンとを含み、
前記１つまたは複数の前記光エンジンの各々は、光送信器及び光受信器を備え、
前記光送信器は、一つの前記光ビームの第１の部分を受信し、前記光ビームの前記第１の部分を所定の角度で送信するものであり、
前記光受信器は、物体から反射された前記光ビームの前記第１の部分を受信し、前記反射された前記光ビームの前記第１の部分をバランス検出器に送信するものであり、前記バランス検出器は、前記光ビームの前記反射された前記光ビームの前記第１の部分と、送信された前記光ビームの第２の部分との間のビートを検出する
ことを特徴とする、前記連続波光検出と測距ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項2】

前記光ビームの前記反射された前記光ビームの前記第１の部分と、前記送信された前記光ビームの第２の部分との間の周波数差に基づいて距離を算出するように構成された距離処理部をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項3】

前記光送信器及び前記光受信器は、それぞれ２つのポートに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項4】

前記光送信器及び前記光受信器は、偏光分離デバイスと共に、同一のポートに統合されていることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項5】

前記光送信器および前記光受信器は、１ｘ２カプラーと共に、同一のポートに統合されていることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項6】

前記１つまたは複数の光エンジンの前記光送信器は、湾曲したチップエッジ上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項7】

湾曲したチップエッジの曲率は、コリメータの前面曲率、コリメータの後面曲率、およびコリメータの屈折率に基づいて決められることを特徴とする、請求項６に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項8】

さらに１／４波長板が統合され、
前記１／４波長板は、送信された前記光ビームの前記第１の部分を円偏光ビームに変換し、且つ戻ってきた光を送信された光に垂直な直線偏光に戻し、偏光分離デバイスに結合するように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項9】

さらにビームステアリング装置が統合され、
前記ビームステアリング装置は前記送信された前記光ビームの前記第１の部分を異なる方向に変換し、且つ前記反射された光の前記第１の部分を受信するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項10】

光フェーズドアレイ、光学格子、ミラー検流計、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラーからなる群から選択された装置を含むことを特徴とする、請求項９に記載のビームステアリング装置。

【請求項11】

さらに補助ステアリング装置をさらに含み、
前記補助ステアリング装置は、前記送信された前記光ビームの前記第１の部分を空間内の異なる方向に曲げて進ませることを特徴とする、請求項７に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項12】

前記補助ステアリング装置は、光フェーズドアレイ、光学格子、ミラー検流計、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラーからなる群から選択された装置、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２０年６月２２日に出願された米国特許出願第１６／９０７，８３７号のベネフィット及び優先権を主張し、そのすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

本明細書に別段の記載がない限り、このセクションに記載されている内容は、本出願の特許請求の範囲の先行技術ではなく、このセクションに含まれることによって先行技術になると認められるものではない。

【0003】

ＬｉＤＡＲデバイスは現在、自動運転車両（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅｓ）を含むさまざまなシナリオにおいて、広く展開されている。ＬｉＤＡＲは、シーンをスキャンしながら環境特徴（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｅａｔｕｒｅ）までの距離をアクティブに推定して、環境シーンの３次元形状を示すポイント位置（ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）のクラウドを生成する場合がある。個々のポイントは、レーザーパルスを生成し、環境オブジェクトの表面から反射された戻りのパルスを検出し、入射されたパルスと反射されたパルスの受信との間の時間遅延に応じて反射オブジェクトまでの距離を算出することによって測定される。一般にＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法と呼ばれる。レーザーをシーン全体で迅速かつ繰り返しスキャンすることで、シーン内の反射オブジェクトまでの距離に関する継続的なリアルタイム情報を提供できる。ただし、現在のＬｉＤＡＲシステムの効率とスキャン速度はまだ改善される可能性がある。

【発明の概要】

【0004】

以下では、このような態様の基本的な理解を提供するために、１つまたは複数の態様を簡略化された要約を提示する。この要約は、考えられるすべての側面の広範な概要ではなく、すべての重要な要素または重要な要素を特定することを目的としたものではない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、１つまたは複数の態様のいくつかの概念を簡略化された形式で示すものである。

【0005】

本開示の一つの態様において、オンチップまたは集積された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）連続波ＬｉＤＡＲシステム（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ （ｌｉｄａｒ） ｓｙｓｔｅｍ）の例を提供する。例示的な連続波ＬｉＤＡＲシステムは、１つまたは複数の光ビーム（ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ）を生成するように構成された１つまたは複数のオンチップまたはオフチップのレーザー光源と、それぞれ１つまたは複数の光ビームを受信するように構成された１つまたは複数の光エンジン（ｌｉｇｈｔ ｅｎｇｉｎｅ）とを含み得る。光周波数は、予め定義されたパターンで変調される。１つまたは複数の光エンジンはそれぞれ、光送信器（ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）、光受信器（ｌｉｇｈｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）、及びバランス検出器（ｂａｌａｎｃｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含み得る。光送信器は、１つの光ビームの第１の部分を受信し、光ビームの第１の部分を所定の角度で送信するように構成され得る。光受信器は、物体から反射された光ビームの第１の部分を受信し、反射された光ビームの第１の部分をバランス検出器に送信するように構成され得る。バランス検出器は、光ビームの反射された第１の部分と光ビームの第２の部分との間のビート（ｂｅａｔ）を検出するように構成され得る。

【0006】

前述の目的及び関連する目的を達成するために、１つまたは複数の態様は、以下において十分に説明され、特に特許請求の範囲で記載されている特徴を含む。以下の説明及び添付の図面は、１つまたは複数の態様の特定の例示的な特徴を詳細に示している。しかしながら、これらの特徴は、様々な側面の原理が採用できる様々な方法のほんの一部を示し、この説明はそのようなすべての側面及びそれらの均等物を含むことを意図している。

【図面の簡単な説明】

【0007】

以下において、本発明の開示された態様について図面を参照しながら説明する。図面は、開示された発明を限定するためのものではなく、説明するためであり、これらの図面において同一の要素には同一の符号を付する。

【図1】図１は、送信されたレーザー光ビームと受信されたレーザー光ビームとの間の関係を示す図である。

【図2】図２は、オンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステムの例における光エンジンの例を示すブロック図である。

【図2(A)】図２（Ａ）は、光コリメートシステムが一体化された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ，集積された、統合された）光エンジンの例を示すブロック図である。

【図2(B)】図２（Ｂ）は、光ファイバを介して２つの光コリメートシステムが一体化された光エンジンの例を示すブロック図である。

【図2(C)】図２（Ｃ）は、３ポートサーキュレータが一体化された光エンジンの例を示すブロック図である。

【図2(D)】図２（Ｄ）は、ＯＰＡが一体化された光エンジンの例を示すブロック図である。

【図3】図３は光エンジンのもう一つの例を示すブロック図である。

【図3(A)】図３（Ａ）は、１／４波長板とコリメータとが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。

【図3(B)】図３（Ｂ）は、光フェーズドアレイと１／４波長板とが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。

【図4】図４はもう一つの光エンジンの例を示すブロック図である。

【図4(A)】図４（Ａ）は、コリメータが一体化された光エンジンの例を示すブロック図である。

【図4(B)】図４（Ｂ）は、光フェーズドアレイが一体化された光エンジンの例を示すブロック図である。

【図5】図５は、複数の光エンジンを含むオンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステムの例を示すブロック図である。

【図6】図６は平面上に配置された複数の光エンジンを含むオンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステムの例を示すブロック図である。

【図7】図７は湾曲したエッジ（ｃｕｒｖｅｄ ｅｄｇｅ）上に配置された複数の光エンジンを含むオンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステムの例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

ここにおいて、図面を参照しながら様々な態様について説明する。以下の説明では、説明するために、１つまたは複数の態様を充分に理解を提供するために多くの具体な内容が示されている。しかし、そのような態様がこれらの具体的な内容なくでも実践できることは明らかである。

【0009】

本開示において、「含む」及び「備える」という用語、並びにそれらの派生語は、限定するのではなく、含むことを意味する。「または」という用語も包括的であり、「及び／または」を意味するものである。

【0010】

本明細書では、本開示の原理を説明するために用いられる以下の様々な実施形態は、例示の目的のためだけであり、いかなる手段によっても本開示の範囲を限定するものとして理解されるべきではない。添付の図面と合わせて行われる以下の説明は、特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本開示の例示的な実施形態の完全な理解を容易にするためのものである。以下の説明には、理解を容易にするための具体的な内容がある。ただし、これらの具体的な内容は説明のみを目的とするものである。そのため、当業者は、本開示の範囲及び趣旨を超えなければ、この説明に示される実施形態に対して様々な変更及び修正を行うことができることを理解する必要がある。さらに、明確かつ簡潔にという目的のために、いくつかの既知の機能及び構造については記載していない。また、同一の符号は、添付されたすべての図面全体において同一の機能及び動作を示しているものである。

【0011】

図１は、送信されたレーザー光ビームと受信されたレーザー光ビームとの間の関係を示す図である。

【0012】

図示のように、従来の周波数変調連続波ＬｉＤＡＲシステムは、典型的にはレーザー光源から光を送信するように構成できる。いくつかの例では、発光周波数は時間とともに変化する可能性があり、光周波数の変化は図１に示される時間周波数グラフにおいて三角形として示され得る。周波数が変調された光は、光周波数が時間とともに増加する前半の期間と、光周波数が時間とともに減少する後半の期間とを含むことができる。送信された部分は２つの部分に分割される。最初の部分は、入射された一定時間後にオブジェクトの表面から反射され、ＬｉＤＡＲシステムによって受信される。反射は時間の遅延をもたらすだけで、送信光の周波数を変化させないため、受信光の周波数変化は、時間－周波数グラフで三角形として表すこともできる。次に、ＬｉＤＡＲシステムは、送信光の第２の部分と受信光との間の安定した周波数差を検出することができる。ＬｉＤＡＲシステムのプロセッサは、ＬｉＤＡＲシステムとオブジェクトの表面との間の距離を次の式に従って計算するように構成できる。

【数1】

ここにおいて、ｄは距離、Δｆは周波数差、ｃは光速、αは時間の経過に伴う光周波数変化の傾きを示す。

【0013】

図２は、例示的な連続波ＬｉＤＡＲシステムにおける光エンジンの一例を示すブロック図である。

【0014】

図示のように、例示的な連続波ＬｉＤＡＲシステムは、１つまたは複数の光ビームを生成及び受信するように構成された１つまたは複数の光エンジン、例えば、光エンジン２００を含み得る。いくつかの例では、光エンジン２００は、例示的な連続波ＬｉＤＡＲシステムのサイズを縮小するために、半導体チップ上に集積されてもよい。光エンジン２００の構成要素は、チップ上の半導体モジュールという形態で実装されてもよい。光エンジン２００は、レーザー光源２０２を含むか、または外部レーザー光源に結合できる。いくつかの例では、レーザー光源２０２は、チャープ駆動（ｃｈｉｒｐｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ）によって直接変調され得る。すなわち、レーザー光源２０２を制御する駆動信号は、時間とともに変化する強度でレーザー光源２０２に入力され得る。これにより、レーザー光源２０２の出力光周波数は時間－周波数グラフにおいて図1の光パルスのように形成される。他のいくつかの例では、レーザー光源２０２は、変調信号を受信する変調器をさらに含んでもよい。変調器は、変調信号に基づいて光ビームを変調させ、図１の周波数の変化を伴う出力光を生成するように構成されることができる。

【0015】

光エンジン２００は、レーザー光源２０２からの光ビーム出力を受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分にさらに分割するように構成されたスプリッタ２０４をさらに含むことができる。第１の部分は、光送信器２０６に送信されることができる。第２の部分は、カプラー２０８に送信されることができる。第１の部分と第２の部分は、どの時点でも同じ周波数である。したがって、第１の部分及び第２の部分は、スプリッタ２０４における時間－周波数グラフにおいて同じである。

【0016】

光送信器２０６は、光ビームの第１の部分を所定の角度で送信するように構成されてもよい。送信された光ビームの第１の部分がオブジェクトの表面から反射されるとき、光ビームの反射された第１の部分は、光受信器２１０によって受信されてもよい。反射された第１の部分は、カプラー２０８にさらに送信されてもよい。光ビームの第２の部分及び光ビームの反射された第１の部分は、カプラー２０８で混合され、さらにバランス検出器２１２に送信され得る。

【0017】

図２－２Ｄに示されるように、光送信器２０６及び光受信器２１０は、光エンジン２００の２つの異なるポートに接続され得る。他の図に示されている例では、光送信器２０６及び光受信器２１０は、一体化され（集積され）、同じポートを共有することができる。半導体チップ上のポートとは、チップエッジでターミネートされ、光カップリング用のファセットを露出させるオンチップの導波路であってもよいし、モード拡張部であってもよい。

【0018】

戻り光と送信光の第２の部分はカプラー２０８で混合され、混合された信号は２つの分岐に分割され、バランス検出器２１２に供給される。

【0019】

バランス検出器２１２は、信号を検出し、２つの分岐から共通のノイズとＤＣ信号を除去する。バランス検出器２１２によって検出される信号の周波数は、反射光と送信光の周波数差であり、距離の計算に使用される。ビート信号の周波数の決定に基づいて、処理ユニットは、前記式に従って、光エンジン２００とオブジェクト（物体）の表面との間の距離をさらに計算できる。

【0020】

図２（Ａ）は、光コリメートシステムが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、光コリメートシステム２２４に結合できる。光コリメートシステム２２４は、凸レンズ、または、１つまたは複数のレンズを含む複数レンズシステムを備えることができる。光コリメートシステム２２４は、光ビームの送信された第１の部分をコリメートし、光ビームの反射された第１の部分を収集するように構成されてもよい。

【0021】

図２（Ｂ）は、光ファイバを介して２つの光コリメートシステムが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示されるように、光エンジン２００は、光ファイバ２３０を介して２つの光コリメートシステム２２６及び２２８と結合され得る。光コリメートシステム２２８は、光ファイバ２３０を介して光送信器２０６から送信された光ビームの第１の部分をコリメートするように構成されることができる。光コリメートシステム２２６は、光ビームの反射された第１の部分を収集し、光受信器２１０に光を結合するように構成されることができる。

【0022】

図２（Ｃ）は、３ポートサーキュレータが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、３ポートサーキュレータ２３４に結合できる。３ポートサーキュレータ２３４は、光を受信及び送信するための３つのポート、例えば、それぞれ、ポート１、ポート２、及びポート３を含んでもよい。いくつかの例では、ポート１で受信された光は、ポート２に送信されてもよく、同様に、ポート２から受信された光は、ポート３を送信されることができる。ポート２に送信された光は、光コリメートシステム２３２にさらに送信されてもよい。

【0023】

図２（Ｄ）は、光学フェーズドアレイ（ＯＰＡ）が一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。いくつかの例では、光学フェーズアレイ（ＯＰＡ）１２２が提供され、該光学フェーズアレイ（ＯＰＡ）１２２は送信された光ビームの第１の部分を第１の方向に向けるためのものである。少なくともいくつかの例において、ＯＰＡ ２２２は、光エンジン２００と同じフォトニックチップ上に集積されてもよい。光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、電波フェーズドアレイの光アナログ（ｏｐｔｉｃａｌ ａｎａｌｏｇ）を指す場合がある。表面の光学的性質を微視的スケール（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｃａｌｅ）で動的に制御することにより、光の方向を操作することが可能である。少なくともいくつかの例では、ＯＰＡ ２２２は、光エンジン２００と同じフォトニックチップ上に集積されてもよい。透過光ビームを曲げる（方向転換する）ＯＰＡ２２２の他に、交換用ステアリング装置（ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）はまた、透過された光ビームの第１の部分を第１の方向に垂直な方向に曲げるように構成されてもよい。交換用ステアリング装置は、光学格子、ミラー検流計（ｍｉｒｒｏｒ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、またはＯＰＡと上記のデバイスの組み合わせである。

【0024】

図３は、別の光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、光送信器と光受信器とを集積した偏光分離デバイス３０２を含んでもよい。偏光分離デバイス３０２は、それぞれ光を受信及び送信する３つのポートを含んでもよい。光ビームの第１の部分は、その偏光に関係なく、ポート１で偏光分離デバイス３０２に入力され、ポート２から出力され得る。ポート２で受信された光は、偏光に基づいて分離され、それぞれポート１及びポート３に送信され得る。例えば、ポート２で受信されたＴＥ（横電界，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光は、ポート１に送信され、ポート２で受信されたＴＭ（横磁場，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光は、ポート３に、さらにカプラー２０８に送信されることができる。

【0025】

図３（Ａ）は、１／４波長板に結合された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、１／４波長板３０４及びコリメータ３０６と一体化（集積）されてもよい。いくつかの例では、１／４波長板３０４は、コリメータ３０６と光エンジン２００との間に配置されることができる。他のいくつかの例では、コリメータ３０６は、１／４波長板３０４と光エンジン２００との間に配置されることができる。

【0026】

図３（Ｂ）は、光学フェーズアレイが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、光の方向を曲げる（方向転換）するように構成されたＯＰＡ２２２に結合できる。少なくともいくつかの例では、ＯＰＡ２２２は、光エンジン２００と同じフォトニックチップ上に集積されてもよい。いくつかの例では、１／４波長板３０４は、ＯＰＡ１２２にさらに結合されてもよい。透過光ビームを曲げるＯＰＡ２２２の他に、交換用ステアリング装置（ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）はまた、送信された光ビームの第１の部分を第１の方向に垂直な方向に曲げるように構成させることができる。交換用ステアリング装置は、光学格子、ミラー検流計（ｍｉｒｒｏｒ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、またはＯＰＡと上記のデバイスの組み合わせである。

【0027】

図４は、別の光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、スプリッタ２０４から光ビームの第１の部分を受け取り、光ビームの第１の部分を出力するように構成された１ｘ２カプラー４０２を含んでもよい。１ｘ２カプラー４０２は、光ビームの反射された第１の部分を受信し、光ビームの反射された第１の部分をカプラー２０８に送信するようにさらに構成される。

【0028】

１ｘ２カプラー４０２は、光エンジン２００と同じ半導体チップ上に一体化された、３ポート光学部品、または光エンジン２００の外部を指すことができる。いくつかの例では、ポート１に入力された光は、光の５０％が失われた状態でポート２に送信され得る。同様に、ポート３に送信された光は、光の５０％が失われた状態でポート２に送信され得る。ポート２で受信された光は、ポート１とポート２に均等に分割され得る。すなわち、ポート２で受信された光の５０％がポート１に送信され、残りの５０％の光がポート３に送信され得る。

【0029】

図４（Ａ）は、コリメータに結合された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、１ｘ２カプラー４０２を含む光エンジン２００は、コリメータ４０４に結合できる。コリメータ４０４は、ポート２から送信された光をコリメートし、戻った光を収集するように構成されることができる。

【0030】

図４（Ｂ）は、光学フェーズアレイに結合された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、１ｘ２カプラー４０２を含む光エンジン２００は、ポート２から出射された光を曲げる（方向転換）ように構成されたＯＰＡ２２２に結合できる。少なくともいくつかの例では、ＯＰＡ ２２２は、光エンジン２００と同じフォトニックチップ上に集積されることができる。送信光ビームを操縦するＯＰＡ２２２の他に、交換用ステアリング装置はまた、光ビームの透過された第１の部分を第１の方向に垂直な方向に曲げる（方向転換）するように構成されることができる。交換用ステアリング装置は、光学格子、ミラー検流計（ｍｉｒｒｏｒ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、またはＯＰＡと上記のデバイスの組み合わせである。

【0031】

図５は、複数の光エンジンを含むオンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステム５００の例を示すブロック図である。

【0032】

図示のように、例となる連続波ＬｉＤＡＲシステム５００は、複数の光エンジンを含むことができ（且つ該光エンジンは、図２～図４（Ｂ）に記載された構造を使用できる）、例えば、光エンジン５０１、５１１、５２１などである。また、システム５００は、ＯＰＡを含む他の多くのステアリングシステム（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）と組み合わせて、完全なＬＩＤＡＲシステムを形成できる。例となる連続波ＬｉＤＡＲシステムは、複数の光エンジンを含むが、システム全体のサイズを最小化できるよう、単一の半導体チップに集積することもできる。特に説明したいことは、光エンジン５０１は、チップ上の異なるポートを利用する光送信器及び光受信器５１０を含むが、他の光エンジンは、同じポートに集積された（統合された）光受信器及び光送信器を含むことができる。

【0033】

示されていない幾つかの例において、各光エンジンは、レーザー光源を含むことができる。他のいくつかの例では、外部レーザー光源５０２は、各光エンジンにそれぞれ複数の光ビームを提供するように構成できる。ここに示される各光エンジンは、光エンジン２００と同様の構成要素、例えば、スプリッタ５０４、光送信器５０６、カプラー５０８、光受信器５１０、バランス検出器５１２を含んでもよい。

【0034】

各光エンジンは独立して操作できる。例えば、各光エンジンは、所定の角度で光を送信するように構成されてもよい。システム全体がシステムと複数の点との距離を同時に検出することができるようになり、したがって、一般に、例となる連続波ＬｉＤＡＲシステムの効率と性能（例えば、解像度など）を向上させることができる。

【0035】

図６は、平面上に配置された複数の光エンジンを含む、オンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステム６００の例を示すブロック図である。

【0036】

図示のように、例となる連続波ＬｉＤＡＲシステム６００は、複数の光エンジン６０１、６１１、６２１などを含むことができる。複数の光エンジンのそれぞれは、光エンジン２００、５０１、５１１、５２１などと同様の動作を実行するように構成されてもよく、同様の構成要素を含んでもよい。同様に、複数の光エンジン６０１、６１１、６２１などもまた、単一の半導体チップ上に集積されることができる。いくつかの例では、光エンジン６０１、６１１、６２１などは、平面チップエッジに配置されてもよい。光エンジンから出力されたそれぞれの光パルスは、コリメータを通過し、予め設定された角度に向かって進むことができる。

【0037】

示されるように、２つの光エンジン間の距離はｄとして示されることができ、空間における角度の分離はΔαとして示されることができ、そして各光エンジンの予め設定された角度間の差、例えば、α１－α２によって決めることができる。Δαの目的は、各光エンジンを異なる方向に向けて出射及び検出するように設定し、光エンジンアレイ全体が空間内の対象となるすべての方向（つまり角度）をカバーするようにする。これを実現するには、チップエッジを、コリメータレンズから一定の距離にある、コリメータレンズの焦点面に配置する必要がある。光エンジンがコリメータ６２０から離れて配置され、互いに配置されている例では、光エンジンからの放出される光は、関心のある（対象となる）空間をカバーするために、コリメータ６２０によって異なる方向に向けさせられることができる。

【0038】

図７は、曲面上に配置された複数の光エンジンを含むオンチップ連続波ＬｉＤＡＲシステム７００の例を示すブロック図である。

【0039】

図示のように、例示的な連続波ＬｉＤＡＲシステム７００は、複数の光エンジン７０１、７１１、７２１などを含むことができる。複数の光エンジンのそれぞれは、光エンジン２００、５０１、５１１、５２１などと同様の動作を実行するように構成されてもよく、同様の構成要素が含まれている。同様に、複数の光エンジン７０１、７１１、７２１などもまた、単一の半導体チップ上に集積されて（統合されて）もよい。

【0040】

ベストな結合を達成するために、光エンジンの光受信器をそれぞれの焦点に配置することが最適の可能性があり、複数の光エンジン７０１、７１１、７２１などを湾曲したチップエッジ上に配置できる。湾曲したチップエッジの曲率は、コリメータ７２０の前面曲率、コリメータ７２０の後面曲率、及びコリメータ７２０の屈折率に基づいて決めることができる。１つまたは複数のコリメータ（またはコリメータレンズ）が集積されているいくつかの非限定的な例では、曲率は、以下の式に基づいて決めることができる。

【数2】

式において、ｒ_ｉは１つまたは複数のコリメータの１つのｉ番目の表面の半径を示し、ｎ_ｉ＋１とｎ_ｉはそれぞれコリメータ７２０の表面の第１の面と第２の面の反射指数（ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を示し、ｉはコリメータの最も外側の表面から始まるものである。

【0041】

上記説明において、本発明の各実施形態は、特定の例示的な実施形態を参照して示されている。明らかなように、関連する請求項によって記載されている本開示のより広い精神及び範囲を超えることなく、各実施形態に様々な修正を加えることができる。同様に、説明及び付随する図は、限定ではなく例示として理解されるべきである。開示されたプロセスにおけるステップの特定の順序または階層（ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）は、例示的なアプローチの実例であると理解されるべきである。設計上の好みに基づいて、プロセスのステップの特定の順序または階層を再配置できると理解されるべきである。さらに、いくつかのステップを組み合わせたり、省略したりすることができる。付随する方法は、例となる順序で様々なステップの要素を提示することを意味し、提示される特定の順序または階層に限定されることを意味するものではない。

【0042】

前記の説明は、当業者が本明細書に記載の様々な態様を実行できるようにするために提供されている。これらの態様に対する様々な修正は、当業者にとって容易であることが明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、他の態様に適用できる。したがって、請求項は、明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、文言上の特許請求の範囲と一致する全範囲を与えられるべきであり、単数形の要素への言及は、具体的に説明がない限り、「唯一無二の」を意味することを意図しなく、むしろ「１つまたは１つ以上」を意図している。特に明記されていない限り、「幾つか」という用語は１つまたは複数を指す。当業者に知られている、または後に知られるようになる、本明細書に記載の様々な態様の要素とのすべての構造的及び機能的均等物は、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、特許請求の範囲に含まれることが意図される。さらに、本明細書に開示されるものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公衆に捧げられることを意図するものではない。請求項の要素は、要素が「のための手段」という句を使用して明示的に引用されていない限り、手段プラス機能（ｍｅａｎｓ ｐｌｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）として解釈されるべきではない。

【0043】

さらに、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味することを意図している。つまり、特に明記されていない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを使用する」という文言は、自然な包括的順列のいずれかを意味することを意図している。つまり、「ＸはＡまたはＢを使用する」という文言は、次のいずれかの場合に満たされる。ＸはＡを使用する。ＸはＢを使用する。またはＸはＡとＢの両方を使用する。さらに、本明細書または特許請求の範囲において、本出願で使用される冠詞「ａ」と「ａｎ」は、特に明記されていない限り、または文脈から明らかでない限り、一般的に「１つまたは１つ以上」を意味すると解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図2(A)】

【図2(B)】

【図2(C)】

【図2(D)】

【図3】

【図3(A)】

【図3(B)】

【図4】

【図4(A)】

【図4(B)】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2023-07-17

【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】

連続波ＬｉＤＡＲ（光検出と測距）システムであって、
１つまたは複数の光ビームを生成するように構成され、前記光ビームの光周波数を予め決められたパターンで変調させる１つまたは複数のレーザー光源と、
前記１つまたは複数の光ビームをそれぞれ受信するように構成された１つまたは複数の光エンジンとを含み、
前記１つまたは複数の光エンジンは半導体チップ上に集積され、
前記１つまたは複数の光エンジンのそれぞれは、スプリッタと偏光分離デバイスを含み、
前記スプリッタは、前記１つまたは複数の光ビームのうちの前記光ビームを第１の部分と第２の部分に分割し、
前記偏光分離デバイスは、第１のポート、第２のポート、及び第３のポートを含み、
前記偏光分離デバイスは、次のように構成され、
前記偏光分離デバイスの第1のポートにより、スプリッタからの前記光ビームの前記第1の部分を受信し、
前記偏光分離デバイスの第２のポートにより、前記光ビームの前記第１の部分を所定の角度で送信し、
前記偏光分離デバイスの第２のポートにより、物体から反射された前記光ビームの前記第１の部分を受信し、
前記偏光分離デバイスの第３のポートにより、前記光ビームの前記反射された第１の部分の所定の偏光部分をバランス検出器に送信し、
前記バランス検出器は、前記光ビームの前記反射された第１の部分の所定の偏光部分と、前記光ビームの第２の部分との間のビートを検出するように構成されることを特徴とする、前記連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項2】

前記光ビームの前記反射された第１の部分の前記所定の偏光部分と、前記光ビームの前記第２の部分との間の周波数差に基づいて距離を算出するように構成された距離処理部をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項3】

前記１つまたは複数の光エンジンは、湾曲したチップエッジの湾曲上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項4】

前記湾曲したチップエッジの曲率は、コリメータの前面曲率、コリメータの後面曲率、及びコリメータの屈折率に基づいて決められることを特徴とする、請求項３に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項5】

補助ステアリング装置をさらに備え、
前記補助ステアリング装置は、送信された前記光ビームの前記第１の部分を空間内の異なる方向に曲げるように構成されることを特徴とする、請求項４に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項6】

前記補助ステアリング装置は、光フェーズドアレイ、光学格子、ミラー検流計、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラーからなる群から選択された装置、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項５に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項7】

１／４波長板をさらに備え、
前記１／４波長板は、前記光ビームの前記第１の部分を円偏光ビームに変換し、及び、
前記光ビームの前記反射された第１の部分を、前記光ビームの前記第１の部分に対して垂直な直線偏光に変換するように構成され、且つ前記偏光分離デバイスに結合することを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項8】

前記連続波ＬｉＤＡＲシステムには、ビームステアリング装置が統合され、
前記ビームステアリング装置は、送信された前記光ビームの前記第１の部分を異なる方向に曲げさせ、且つ前記光ビームの前記反射された第１の部分を受信するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項9】

前記ビームステアリング装置は、光フェーズドアレイ、光学格子、ミラー検流計、ポリゴンミラー、及びＭＥＭＳミラーからなる群から選択された装置を含むことを特徴とする、請求項８に記載の連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【請求項10】

連続波ＬｉＤＡＲ（光検出と測距）システムであって、
１つまたは複数の光ビームを生成するように構成され、前記光ビームの光周波数を予め決められたパターンで変調させる１つまたは複数のレーザー光源と、
前記１つまたは複数の光ビームをそれぞれ受信するように構成された１つまたは複数の光エンジンとを含み、
前記１つまたは複数の光エンジンは半導体チップ上に集積され、
前記１つまたは複数の光エンジンのそれぞれは、スプリッタと１ｘ２カプラーを含み、
前記スプリッタは、前記１つまたは複数の光ビームのうちの前記光ビームを第１の部分と第２の部分に分割し、
前記１ｘ２カプラーは、第１のポート、第２のポート、及び第３のポートを含み、
前記１ｘ２カプラーは、次のように構成され、
前記１ｘ２カプラーの第1のポートにより、スプリッタからの前記光ビームの前記第1の部分を受信し、
前記１ｘ２カプラーの第２のポートにより、前記光ビームの前記第１の部分を所定の角度で送信し、
前記１ｘ２カプラーの第２のポートにより、物体から反射された前記光ビームの前記第１の部分を受信し、
前記１ｘ２カプラーの第３のポートにより、前記光ビームの前記反射された第１の部分の所定の偏光部分をバランス検出器に送信し、
前記バランス検出器は、前記光ビームの前記反射された第１の部分の所定の偏光部分と、前記光ビームの第２の部分との間のビートを検出するように構成されることを特徴とする、前記連続波ＬｉＤＡＲシステム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0022】

図２（Ｃ）は、３ポートサーキュレータが一体化された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、３ポートサーキュレータ２３４に結合できる。３ポートサーキュレータ２３４は、光を受信及び送信するための３つのポート、例えば、それぞれ、第１のポート（ポート１）、第２のポート（ポート２）、及び第３のポート（ポート３）を含んでもよい。いくつかの例では、第１のポート（ポート１）で受信された光は、第２のポート（ポート２）に送信されてもよく、同様に、第２のポート（ポート２）から受信された光は、第３のポート（ポート３）を送信されることができる。第２のポート（ポート２）に送信された光は、光コリメートシステム２３２にさらに送信されてもよい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0024】

図３は、別の光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、光エンジン２００は、光送信器と光受信器とを集積した偏光分離デバイス３０２を含んでもよい。偏光分離デバイス３０２は、それぞれ光を受信及び送信する３つのポートを含んでもよい。光ビームの第１の部分は、その偏光に関係なく、第１のポート（ポート１）で偏光分離デバイス３０２に入力され、第２のポート（ポート２）から出力され得る。第２のポート（ポート２）で受信された光は、偏光に基づいて分離され、それぞれ第１のポート（ポート１）及び第３のポート（ポート３）に送信され得る。例えば、第２のポート（ポート２）で受信されたＴＥ（横電界，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光は、第１のポート（ポート１）に送信され、第２のポート（ポート２）で受信されたＴＭ（横磁場，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光は、第３のポート（ポート３）に、さらにカプラー２０８に送信されることができる。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0028】

１ｘ２カプラー４０２は、光エンジン２００と同じ半導体チップ上に一体化された、３ポート光学部品、または光エンジン２００の外部を指すことができる。いくつかの例では、第１のポート（ポート１）に入力された光は、光の５０％が失われた状態で第２のポート（ポート２）に送信され得る。同様に、第３のポート（ポート３）に送信された光は、光の５０％が失われた状態で第２のポート（ポート２）に送信され得る。第２のポート（ポート２）で受信された光は、第１のポート（ポート１）と第２のポート（ポート２）に均等に分割され得る。すなわち、第２のポート（ポート２）で受信された光の５０％が第１のポート（ポート１）に送信され、残りの５０％の光が第３のポート（ポート３）に送信され得る。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0029】

図４（Ａ）は、コリメータに結合された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、１ｘ２カプラー４０２を含む光エンジン２００は、コリメータ４０４に結合できる。コリメータ４０４は、第２のポート（ポート２）から送信された光をコリメートし、戻った光を収集するように構成されることができる。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0030】

図４（Ｂ）は、光学フェーズアレイに結合された光エンジンの一例を示すブロック図である。図示のように、１ｘ２カプラー４０２を含む光エンジン２００は、第２のポート（ポート２）から出射された光を曲げる（方向転換）ように構成されたＯＰＡ２２２に結合できる。少なくともいくつかの例では、ＯＰＡ２２２は、光エンジン２００と同じフォトニックチップ上に集積されることができる。送信光ビームを操縦するＯＰＡ２２２の他に、交換用ステアリング装置はまた、光ビームの透過された第１の部分を第１の方向に垂直な方向に曲げる（方向転換）するように構成されることができる。交換用ステアリング装置は、光学格子、ミラー検流計（ｍｉｒｒｏｒ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、またはＯＰＡと上記のデバイスの組み合わせである。

【国際調査報告】