JP2023549774A - 伝送光学パワーモニタを伴うＬｉＤＡＲシステム - Google Patents

Abstract

光学パワー監視を伴う、ＬｉＤＡＲ伝送機が、光学経路に沿って伝搬する、光学ビームを発生させる、第１の平面に位置付けられる、レーザアレイを含む。光学経路内に位置付けられる、第１の投影光学要素が、複数の光学ビームを投影し、共通点において重複する。第２の投影光学要素が、第１の投影光学要素からの光を伝送の方向に投影する。複数のビームの光学経路内の共通点に位置付けられる、指向光学要素が、照明領域を、複数のビームのそれぞれからの光を用いて、第２の平面に生成する。モニタが、収集された光に応答して、検出された信号を発生させる。コントローラが、検出された信号に応答して、レーザを制御し、ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成する、電気信号を発生させる。

Description

本明細書に使用される節の見出しは、編成目的のみのためのものであって、いかようにも本願に説明される主題の限定として解釈されるべきではない。

（関連出願の相互参照）
本願は、２０２０年１１月１２日に出願され、「ＬｉＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｍｉｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｎｉｔｏｒ」と題された、米国仮特許出願第６３／１１２，７３５号の非仮出願である。米国仮特許出願第６３／１１２，７３５号の内容全体が、本明細書に参照することによって組み込まれる。

緒言
自律型、自動運転型、および半自律型自動車は、周囲の物体の検出および位置特定のためのレーダ、画像認識カメラ、およびソナー等、異なるセンサおよび技術の組み合わせを使用する。これらのセンサは、衝突警報、自動緊急制動、車線逸脱警報、車線維持支援、アダブティブクルーズコントロール、およびパイロット運転を含む、運転者の安全性における多数の改良を可能にする。これらのセンサ技術の中で、光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）システムは、重要となる役割を担い、周囲の環境のリアルタイムの高分解能３Ｄマッピングを可能にする。

今日、自律車両のために使用される現在のＬｉＤＡＲシステムの大部分は、環境を機械的に走査するいくつかの方法と組み合わせられ、少数のレーザを利用する。いくつかの最先端技術のＬｉＤＡＲシステムは、照明源としての２次元垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイと、受信機内の種々のタイプのソリッドステート検出器アレイとを使用する。将来の自律自動車は、高信頼性および広い環境動作範囲を伴うソリッドステート半導体ベースのＬｉＤＡＲシステムを利用することが、多いに所望される。これらのソリッドステートＬｉＤＡＲシステムは、これらが、可動部品を有しない、ソリッドステート技術を使用するため、有利である。しかしながら、現在の最先端技術のＬｉＤＡＲシステムは、多くの実際的限定を有しており、新たなシステムおよび方法が、性能の改良のために必要とされる。

好ましい例示的実施形態によると、本教示は、そのさらなる利点とともに、付随の図面と併せて、以下の詳細な説明においてより具体的に説明される。当業者は、下記に説明される図面が、例証の目的のためにすぎないことを理解するであろう。図面が、必ずしも、正確な縮尺ではなく、強調が、代わりに、概して、本教示の原理を図示することに応じて置かれている。図面は、いかようにも本出願人の教示の範囲を限定することを意図するものではない。

図１は、本教示のＬｉＤＡＲシステムのための反射性指向要素を備える、監視式伝送機の実施形態を図示する。

図２Ａは、図１のＬｉＤＡＲシステムのための監視式伝送機の一部の付加的詳細を伴う、拡大図を図示する。図２Ｂは、図２Ａに示される光学光線トレースの断面図を図示する。

図３Ａは、本教示のＬｉＤＡＲシステムのためのライトパイプを有するモニタを備える、監視式伝送機の実施形態の一部を図示する。図３Ｂは、図３Ａに示される光学光線トレースの断面図を図示する。

図４Ａは、本教示のＬｉＤＡＲシステムのための透過性指向要素を備える、監視式伝送機の実施形態の一部を示す。図４Ｂは、図４Ａに示される光学光線トレースの断面図を図示する。

図５は、本教示の一実施形態による、監視式伝送機を含む、ＬｉＤＡＲシステムのブロック図を図示する。

種々の実施形態の説明
本教示は、ここで、付随の図面に示されるようなその例示的実施形態を参照して、さらに詳細に説明されるであろう。本教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本教示は、当業者によって理解されるであろうように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明されるような本開示の範囲内である、付加的実装、修正、および実施形態、および他の使用分野を認識するであろう。

本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」の言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本教示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の種々の場所における語句「一実施形態では」の表出は、必ずしも、全てが同一の実施形態を指しているわけではない。

本教示の方法の個々のステップは、本教示が動作可能のままである限り、任意の順序で、および／または同時に、実施され得ることを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法が、本教示が動作可能なままである限り、説明される実施形態のうちの任意の数のものまたは全てを含み得ることを理解されたい。

本教示は、概して、物体までの距離（範囲）を測定するためにレーザ光を使用する、遠隔感知方法である、光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）に関する。ＬｉＤＡＲシステムは、概して、光を反射する、および／または散乱させる、種々の物体または標的までの距離を測定する。自律車両は、ＬｉＤＡＲシステムを使用し、高分解能を伴う、周囲環境の非常に正確な３Ｄマップを発生させる。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、高レベルの信頼性を伴いながら、また、長い測定範囲および低コストも維持する、ソリッドステートパルス飛行時間（ＴＯＦ）ＬｉＤＡＲシステムを提供することを対象とする。

本教示によるＬｉＤＡＲシステムのいくつかの実施形態は、レーザアレイを含む、レーザ伝送機を使用する。いくつかの具体的な実施形態では、レーザアレイは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスを備える。これらは、上面発光型ＶＣＳＥＬ、底面発光型ＶＣＳＥＬおよび種々のタイプの高パワーＶＣＳＥＬを含み得る。ＶＣＳＥＬアレイは、モノリシックであってもよい。レーザエミッタは全て、半導体基板またはセラミック基板を含む、共通基板を共有してもよい。

種々の実施形態では、１つまたはそれを上回る伝送機アレイを使用する個々のレーザおよび／またはレーザの群が、個々に制御されることができる。伝送機アレイ内の各個々のエミッタが、独立して発射されることができる。各レーザエミッタによって放出される、光学ビームは、全システム視野の一部のみに範囲を定める３Ｄ投影角に対応する。そのようなＬｉＤＡＲシステムの一実施例が、米国特許公開第２０１７／０３０７７３６Ａ１号に説明される。米国特許公開第２０１７／０３０７７３６Ａ１号は、本譲受人に譲渡されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。加えて、個々のレーザまたはレーザの群によって発射されるパルスの数は、ＬｉＤＡＲシステムの所望の性能目的に基づいて、制御されることができる。本シーケンスの持続時間およびタイミングもまた、種々の性能目標を達成するために制御されることができる。

本教示によるＬｉＤＡＲシステムのいくつかの実施形態はまた、個々に制御され得る検出器アレイ内の検出器および／または検出器の群を使用する。例えば、「Ｅｙｅ－Ｓａｆｅ Ｌｏｎｇ－Ｒａｎｇｅ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＬｉＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国仮出願第６２／８５９、３４９号を参照されたい。米国仮出願第６２／８５９、３４９号は、本譲受人に譲渡されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。伝送機アレイ内の個々のレーザおよび／またはレーザの群、および／または検出器アレイ内の検出器および／または検出器の群の本独立的な制御が、システム視野、光学パワーレベル、および走査パターンの制御を含む、種々の望ましい動作特徴を提供する。

ＬｉＤＡＲシステム伝送機によって放出される光学パワーレベルは、ＬｉＤＡＲシステムの多数の性能メトリックの中に考慮される、重要なパラメータである。これは、例えば、性能メトリックの中でもとりわけ、距離、視野、分解能、速度、およびフレームレートおよび眼安全性を含む。したがって、ＬｉＤＡＲシステムのための伝送パワーを監視する、システムおよび方法が、望ましい。モニタシステムは、コンパクトであって、低コストであって、かつ監視されるパラメータの所望の精度および正確度を生成することが望ましい。

本教示のＬｉＤＡＲシステムの１つの特徴は、ＬｉＤＡＲ伝送モジュール内における光学性能の直接監視の含有である。ＬｉＤＡＲモジュール内の光学性能の監視は、種々の理由から、重要であり得る。例えば、光学パワー監視を照明器アセンブリの内側に組み込むことは、較正、性能、および信頼性監視を改良することができる。レーザは、寿命に伴って劣化し、したがって、プロジェクタアセンブリ自体内のレーザ出力パワーを監視することが有用であり得る。例えば、単に、光が外部物体から反射された後に受信された光学信号に依拠するのではなく、プロジェクタから出射するにつれて、光を監視することによって、発生されたパワーをより正確かつ迅速に監視することが可能である。また、ＶＣＳＥＬレーザに近接する温度を監視することが可能である。そのような特徴は、信頼性および性能を改良するために有用である。温度およびパワーの両方の随意の監視は、診断のためだけではなく、また、システムの性能および／または寿命を改良するために、動作の間、レーザを制御するためにも使用されることができる。

本教示の別の特徴は、パワー監視要素が、他の機能を提供する、ＬｉＤＡＲ伝送機内の種々の光学デバイスから反射された、またはそこから指向される、光を監視するように構成されることである。伝送機内で検出される、反射または指向された光は、単に、受動監視目的のためだけではなく、また、伝送機内のレーザおよび検出器の付加的能動制御を提供するためにも使用されることができる。

本教示のＬｉＤＡＲシステム伝送機のための性能モニタのいくつかの実施形態は、ＬｉＤＡＲシステム伝送機自体によって発生された光の１つまたはそれを上回るパラメータを監視する。例えば、伝送機によって発生された光は、レーザ波長、光学パワー、パルスタイミング、およびパルス周波数に関して監視されることができる。発生された光の波長は、単に、フォトダイオードではなく、代わりに、波長および光学パワーの検出を可能にする、光学系のより複雑なセットを備える、受信機を含む、パワーモニタを使用することによって、検出されることができる。

複数の波長が使用される、ＬｉＤＡＲ設計では、特に、波長が絶対値に近接する場合、システムパラメータが意図される通りであることを確実にするために、その絶対または相対値を監視することが所望され得る。レーザによって発生された光の絶対波長、または異なる波長のレーザによって発生された光の間の相対的オフセットのいずれかを監視する、種々の既知の方法が存在する。例えば、エタロンベースのデバイスが、波長モニタとして使用され得る。

多波長パワー監視を使用する、本教示のシステムおよび方法の実施形態はまた、故障がレーザ劣化または光学性能メトリックにおける偏移によって生じているかどうかを検出するために、システムロバスト性を改良することができる。多波長パワー監視はまた、１セットの波長が伝送機内で不具合がある場合、冗長性を提供することができる。伝送機内の１セットの波長の動作時の部分的または完全な不具合は、波長毎の光学監視が独立する場合、依然として、伝送機内の他のセットの波長を使用して、システムの部分的動作のための能力を可能にするであろう。

本教示のシステムおよび方法の別の特徴は、多要素多波長光学パワー監視が、実現され得ることである。１つまたはそれを上回る指向要素が、１つまたはそれを上回る波長における１つまたはそれを上回るレーザ要素からの集合的および個々のパワーが監視され得るように、光を１つまたはそれを上回るモニタに指向するように位置付けられることができる。例えば、一実施形態では、複数の反射要素は、部分的ミラーであることができる。他の実施形態では、複数の反射要素は、ビームを投影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では、モニタは、光検出器を含み、これはそれぞれ、光の１つのみの特定の波長帯域に敏感である。本構成は、１つまたはそれを上回る波長の光学パワーを独立して監視することを可能にし、これは、システム能力を改良する。本教示による、多波長パワー監視は、絶対波長および／または相対的波長を含む、レーザ波長、光学パワー、パルスタイミング、およびパルス周波数等の複数のパラメータに関して監視するように構成されることができる。

本教示による、多波長パワー監視はまた、故障がレーザ劣化または光学性能における偏移によって生じているかどうかを検出するために、ＬｉＤＡＲシステムのロバスト性を改良する。多波長パワー監視は、例えば、伝送機によって発生された１セットの波長が不具合がある場合、冗長性を提供するために有用である。伝送機の１セットの波長の発生における部分的または完全な不具合は、システムが、波長帯域毎の光学監視が独立するように構成される場合、依然として、他のセットの波長を使用して、ＬｉＤＡＲシステムの部分的動作のための能力を可能にするであろう。

光学伝送機の性能における劣化は、光学伝送機のレーザ出力パワーを監視し、次いで、測定された光学パワーを予期される基準値と比較することによって決定され得ることが公知である。光学伝送機の性能における劣化は、レーザ自体によって生じるか、または光機械的アセンブリの種々の側面によって生じるかの一方または両方であり得る。光学伝送機の性能における劣化は、次いで、分析されることができる。例えば、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ Ｃｌｏｕｄ ＬｉＤＡＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された、米国特許出願公開第ＵＳ２０１６／００２５８４２Ａ１号は、クラウド測定のために設計されるＬｉＤＡＲシステムのためのレーザ出力パワー監視の利益を説明する。

ＬｉＤＡＲ伝送機によって発生された光学信号の測定はまた、受動監視システム内でも使用されることができる。加えて、ＬｉＤＡＲ伝送機からの光学信号は、半導体レーザを駆動するレーザバイアス電流の能動制御のために使用されることができる。レーザダイオードが、ある範囲の動作バイアス電流にわたって動作する。多くのタイプの半導体レーザダイオードシステムは、閉ループ方式で動作され、モニタフォトダイオードから受信されたフォトダイオード電流が、バイアス制御フィードバックループへの入力として使用される。主として、入射パワーの線形関数である、モニタフォトダイオード電流を監視し、一定値に維持することによって、半導体レーザの出力パワーは、一定値の近くに維持されることができる。本条件は、システムが、改良された出力パワー安定性を達成するために、温度および機械的移動等の環境変化に反応することを有効にする。また、光学パワーを監視し、監視される光学パワーに応答して、レーザバイアスを制御することは、システムレベルにおける光学パワーの損失を伴わずに、その寿命にわたって、レーザ効率の劣化に適応するために使用されることができる。

種々の実施形態では、伝送機光学信号は、例えば、パラメータの中でもとりわけ、レーザ波長、光学パワー、パルスタイミング、パルス周波数、およびパルス持続時間を含む、多数のパラメータに関して監視されることができる。レーザ波長は、単に、フォトダイオードまたは他の光学検出器ではなく、代わりに、波長および光学パワーの検出を可能にする、光学システムである、パワーモニタを使用して、検出されることができる。複数の波長が使用される、ＬｉＤＡＲシステム設計では、特に、波長が絶対値に近接する場合、システムパラメータが意図される通りであることを確実にするために、その絶対または相対値を監視することが所望され得る。絶対波長または異なる波長のレーザ間の相対的オフセットのいずれかを監視する種々の方法が、当技術分野において公知である。例えば、エタロンベースのデバイスが、波長モニタとして使用され得る。

いくつかのＬｉＤＡＲシステムは、較正を寿命初期（ＢＯＬ）に実施し、システムの寿命動作の間、基準を提供することが望ましい。較正とは、デバイスの初期レーザバイアス、温度、および出力パワーの特性評価、次いで、ＢＯＬにおける好適な許容差を伴う、要求される性能仕様を満たすための、温度の関数としてのレーザバイアスおよび出力パワーの後続調整を意味する。多くの場合、本プロセスは、ＬｉＤＡＲシステムのための製造プロセスの一部として実施される。較正プロセスの間に取得される、レーザバイアスおよび測定された光学パワー等の性能パラメータは、多くの場合、種々の動作のために使用されるための基準として、温度の関数として、ＬｉＤＡＲシステムメモリ内に記憶されるであろう。本教示の種々のモニタは、これらの較正プロセスのうちのいくつかのための測定された光学パワーを提供することができる。

ＬｉＤＡＲシステムの動作の間、実際の温度が、監視され、ある形態のルックアップテーブルにおいてメモリ内に記憶される基準値と併用され、光学レーザバイアス設定点を決定することができる。代替として、光学パワーモニタと組み合わせて、動作の間の出力パワー、レーザバイアス、および温度の実際の値が、ルックアップテーブル内の基準値と比較され、システム内の任意の有意な変化または劣化を識別することができ、これは、潜在的信頼性問題点を示すことができる。実践的システムの種々の実装では、そのような変化を検出する、ＬｉＤＡＲシステムは、次いで、自動車の他の車両内の全体的監視システムと通信し、潜在的点検または修理の必要性を識別し得る。

図１は、本教示のＬｉＤＡＲシステムのための反射性指向要素１１０を備える、監視式伝送機１００の実施形態を図示する。監視式伝送機１００は、伝送の方向１０４に沿ってレーザビームを投影するために、光学系のセットと組み合わせられたレーザ源のための２Ｄ ＶＣＳＥＬアレイ１０２を使用する。モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）１０６が、ＶＣＳＥＬアレイ１０２と同一基板１０８上に搭載されて示される。モニタフォトダイオード１０６またはＶＣＳＥＬ１０２もまた、別個のキャリア上または別個のパッケージ内に搭載され得る。いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオード１０６およびＶＣＳＥＬアレイ１０２は、公称上、同一平面に位置付けられる。いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオード１０６およびＶＣＳＥＬアレイ１０２は、同一配向を有するその個別の表面に対して、法線投影を有する。いくつかの実施形態では、本配向は、伝送の方向１０４と同一配向である。第１のレンズ１１２と第２のレンズ１１４との間に位置する、指向要素１１０が、ＶＣＳＥＬアレイ１０２によって発生された光学ビームの一部をモニタフォトダイオード１０６に戻るように指向する。いくつかの実施形態では、指向要素１１０は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２によって発生された光学ビームの一部をモニタフォトダイオード１０６に戻るように反射させる、第１のレンズ１１２と第２のレンズ１１４との間に位置する、部分的ミラーを備える。第１のレンズ１１２、第２のレンズ１１４、および指向要素１１０は、基板１０８に固着される、共通筐体１１６内または上に搭載されることができる。伝送の方向は、いくつかの実施形態では、第１のレンズ１１２および／または第２のレンズ１１４の光学軸に沿ってある。

監視式伝送機１００は、レンズ１１２、１１４を使用して、ＶＣＳＥＬアレイ１０２によって発生された光学ビーム内の光を投影するものとして説明される。しかしながら、当業者は、多数の他の投影光学要素もまた使用され得ることを理解されるであろう。投影要素の多数の公知の実装が、本教示の監視式伝送機１００内で使用されることができる。種々の実施形態では、これらの投影要素は、例えば、所望の視野、標的範囲、分解能等を達成するために、光学ビームを成形し、標的に向かって投影する役割を果たす。これらの投影要素は、光学ビームのそれぞれからの光が監視され得るように、指向要素が、照明領域をモニタ平面に発生させることを可能にする、光学ビームのための共通点を伝送機占有面積内に生成するように構成されることができる。

本教示のいくつかの実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２から発生された光学ビームの全てが照明領域内に現れることを要求しないことが、当業者に理解されるであろう。代わりに、いくつかの実施形態では、光学ビームのための共通点を共有する、光学ビームのサブセットのみが、照明領域内に提供され、モニタによってサンプリングされる。投影要素、ＶＣＳＥＬアレイ１０２、および指向要素の相対的位置は、共通点を共有する、したがって、照明領域内に提供される、光学ビームの所望のサブセットを決定する役割を果たす。

図１の監視式伝送機１００実施形態の指向要素１１０は、モニタフォトダイオード１０６に向かって傾斜されるように図示される。他の実施形態では、反射性ミラーは、フォトダイオードに向かって傾斜されない。代わりに、指向要素１１０配向は、回転対称性を維持するために、指向要素１１０の表面に対する法線がレンズシステムの光学軸と平行であるようなものである場合がある。本配向は、ある場合には、組立／製造の容易性のために、有利であり得る。また、指向要素１１０は、図１では、別個の光学要素として示されるが、いくつかの実施形態では、２つのレンズ１１２、１１４のうちの１つまたはそれを上回るものまたは伝送機経路内のある他の光学要素の表面のうちの１つまたはそれを上回るものが、要求される反射または方向を提供するように機能することができることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、第１のレンズ１１２、第２のレンズ１１４、および指向要素１１０のうちの１つまたはそれを上回るものを含む、光学コンポーネントは、反射度を制御するように設計される、光学コーティングを表面上に有する。監視が必要とされない、実施形態では、光学反射度は、多くの場合、伝送機１００から伝送の方向１０４における出力パワーを最大限にするために、可能な限り低く設定される。いくつかの実施形態では、指向要素１１０上の光学コーティングは、最大５％の反射度を有する場合がある。いくつかの実施形態では、指向要素１１０は、別個の離散要素ではなく、代わりに、光学レンズ表面のうちの１つまたはそれを上回るもの上の光学コーティングまたはコーティングのセットであって、コーティングの反射度は、測定された光学信号を最適化するように選択されている。

本教示の特徴は、指向要素１１０が、伝送機アレイ内の全てのレーザが反射され得る光の一部を有するように、共通点においてレーザによって発生された光学ビームの経路内に設置され得ることである。例えば、伝送される光学ビームの小角度発散を達成するために、複数のレンズを含む、ＬｉＤＡＲ伝送機を説明する、米国特許第１０，５１４，４４４号を参照されたい。米国特許第１０，５１４，４４４号は、本譲受人に譲渡されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態では、指向要素１１０は、回折光学系要素である。他の実施形態では、指向要素１１０は、部分反射性ミラーおよび光学フィルタの両方であって、これは、可視スペクトルの一部を遮断する。１つの具体的実施形態では、指向要素は、プリズムである。いくつかの実施形態では、指向要素は、ホログラフィック要素である。多数の公知のレンズ構成が、第１のレンズ１１２および第２のレンズ１１４およびレーザアレイ１０２の所望のレンズ光学パワー、サイズ、および相対的位置を達成するために、利用されることができる。

いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオード１０６は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２とモノリシックに製造される。モニタフォトダイオード１０６は、多数の構成において加工されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオード１０６は、単一フォトダイオードであって、これは、２Ｄアレイ内の全ての個々のレーザからの光を受光する。他の実施形態では、１つを上回るフォトダイオードが、使用され、複数のフォトダイオードの出力は、ある方式において組み合わせられ、共通信号出力を信号チェーン内のある点に提供する。

いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオード１０６は、入力がモニタフォトダイオード１０６から伝搬する光を受光するように位置付けられる、光学要素を含む。例えば、モニタフォトダイオード１０６は、光を受光するように位置付けられ、その収集された光をフォトダイオードに指向するように構成される、光ガイドまたはプリズムを含むことができる。光学要素は、監視開口内の全ての光または監視開口の異なる空間領域からの光の一部のみを取り込み、次いで、その光を１つまたはそれを上回るフォトダイオードに指向することができる。例えば、光学要素は、本明細書に説明されるように、ライトパイプであってもよい。

図２Ａは、図１のＬｉＤＡＲシステムのための監視式伝送機１００の一部の付加的詳細を伴う、拡大図２００を図示する。図２Ａは、光学光線トレース略図２０２を示し、レンズ１ １１２を通して通過し、次いで、部分反射性ミラー１１０からモニタフォトダイオード１０６およびＶＣＳＥＬアレイ１０２に向かって戻るように反射する、ＶＣＳＥＬアレイ１０２から放出される、光を図示する。モニタフォトダイオード１０６は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２と同一平面２０４に位置付けられる、フォトダイオードとして示される。光線トレース略図２０２に図示される光学ビームは、それらが指向要素１１０に通過し、そこで、それらは、第２のレンズ（図示せず）に伝搬し、次いで、ＬｉＤＡＲ伝送機１００から出て伝送の方向１０４に再指向されるように示される。

図２Ｂは、図２Ａに示される光学光線トレース２０２の断面図２５０を図示する。図１、２Ａおよび２Ｂを参照すると、断面図２５０は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２内の異なるレーザからの指向要素１１０からの反射を包含する、照明された面積２５６を示す。各ビームの照明された面積２５６は、モニタフォトダイオード１０６の面積２５２と、ＶＣＥＬＳアレイ１０２の面積２５４とにわたってマッピングされて図示される。これは、指向要素１１０が、ＶＣＳＥＬによって発生された光学ビームの共通点からの光を投影し、したがって、照明領域２５６が、全てのビームからの少なくとも一部の光を含むためである。すなわち、指向要素１１０の場所およびミラーの傾斜角度は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２内の特定のＶＣＳＥＬ要素の場所にかかわらず、反射された面積が全てモニタフォトダイオード１０６に近接して重複するように選定される。これは、ＶＣＳＥＬアレイ１０２内の全てのレーザから放出されるパワーが監視され得ることを確実にする。モニタフォトダイオード１０６場所は、多くの場合、ＬｉＤＡＲシステム内の他の電子コンポーネントによって制約される。

いくつかの構成では、モニタフォトダイオード１０６をＶＣＳＥＬアレイ１０２のすぐ隣に設置することは、不可能である。代わりに、より容易な製造のために、モニタフォトダイオード１０６は、ＶＣＳＥＬアレイ１０２からある距離離れているが、依然として、反射された光学ビームの照明された面積内に入るほど十分に近接する必要があり得る。したがって、指向要素１１０の傾きおよび位置は、アレイ１０２内の複数の要素からの光がモニタフォトダイオード１０６において重複するように適切に選定されなければならない。

図３Ａは、本教示のＬｉＤＡＲシステムのためのライトパイプ３０４を有するモニタを備える、監視式伝送機の実施形態の一部３００を図示する。図２Ａおよび図３Ａに示される実施形態は、多くの特徴を共有する。ＶＣＳＥＬアレイ３０２およびモニタフォトダイオード３０４が、同一平面３０６に位置付けられる。第１のレンズ３０８が、光ビームをアレイ３０２から、部分反射性ミラーであり得る、指向要素３１０に向かって、次いで、第２のレンズ（図示せず）へと、伝送機から外に伝送の方向３１２に沿って指向する。図３Ａは、光学光線トレース略図３０５を示し、レンズ１ ３０８を通して通過し、次いで、部分反射性ミラー３１０からライトパイプ３０４およびＶＣＳＥＬアレイ３０２に向かって戻るように反射する、ＶＣＳＥＬアレイ３０２から放出される、光を図示する。

図３Ｂは、図３Ａに示される光学光線トレース２０２の断面図３５０を図示する。図１、３Ａ、および３Ｂを参照すると、断面図３５０は、ＶＣＳＥＬアレイ３０２内の異なるレーザからの指向要素３１０からの反射を包含する、照明された面積３５２を示す。各ビームの照明された面積３５２は、ライトパイプ３５８の収集面積を含む、モニタ面積の面積３５４と、ＶＣＥＬＳアレイ占有面積の面積３５６とにわたってマッピングされて図示される。本ライトパイプ３５８は、遠隔で位置するモニタフォトダイオード３６０に接続されて示される。照明された面積３５２は、指向要素３１０がＶＣＳＥＬアレイ３０２によって発生された光学ビームの共通点からの光をモニタ平面に位置するモニタ３０４に指向するため、ＶＣＳＥＬアレイ３０２によって発生された光学ビームのそれぞれからの光を含む。

本実施形態では、モニタ３０４は、ライトパイプ３５８を含む。ライトパイプは、光がライトパイプの長さに沿って伝搬するにつれて、全内部反射を通して光を内部に留保する、導波管として作用する、デバイスである。ライトパイプ３５８は、ガラスまたはプラスチックから作製されることができる、または内部鏡映表面を伴う、中空導波管であることができる。典型的には、伝搬の軸と垂直なライトパイプ３５８の断面の寸法は、伝搬距離よりはるかに小さい。ライトパイプ３５８は、屈曲半径が全内部反射を維持するために十分に大きいことを前提として、所望に応じて光を指向するための固定または可撓性屈曲を伴って構築されることができる。ライトパイプの一般的実施例は、光ファイバケーブルである。

ライトパイプ構成では、図２の実施形態におけるように、反射された光が照明された面積内に位置するフォトダイオードによって直接測定される代わりに、ライトパイプ３５８が、光を捕捉し、収集された光をフォトダイオード（図示せず）に提供するために使用される。したがって、ライトパイプ３５８は、照明された面積からの光の一部を捕捉し、それを、ＶＣＳＥＬアレイ３０２から物理的に離れ、また、照明された面積の外側にある、モニタフォトダイオード（図示せず）に再指向する。

ライトパイプを使用する監視式伝送機の実施形態は、付加的コンポーネントを有し、これは、コストを増加させ得る。例えば、ライトパイプは、レンズおよびミラーを含む、種々の光学要素を組み込む場合がある。しかしながら、ライトパイプ実施形態は、ライトパイプを使用しない、他の実施形態と比較して、いくつかの潜在的利点を有する。ライトパイプの１つの利点は、アクティブ面積のためのモニタフォトダイオードのサイズが、多くの場合、物理的サイズにおいて制限され、これが、生成され得る、光学信号を限定することである。特に、多くの場合、ナノ秒の持続時間である、実際のパルス形状が、測定される必要がある場合、フォトダイオードアクティブ面積は、良好な動的応答を有するために小さくあるべきである。この場合、ライトパイプが、測定された光がより小さいフォトダイオードアクティブ面積上に密集／集束されることを可能にし、それによって、ＳＮＲを改良する、より大きい収集面積を伴って設計されることができる。ライトパイプは、純粋に、受動光学系コンポーネントであるため、電気駆動コンポーネント等、ＶＣＳＥＬアレイ３０２に物理的に近くあり得る、要素の上部に位置付けられることができる。ＶＣＳＥＬにより近いライトパイプの設置はまた、監視機能の光学効率を改良することができる。

ライトパイプを使用する別の潜在的利点は、ＶＣＳＥＬアレイおよびＶＣＳＥＬ駆動回路から比較的に離れたモニタフォトダイオードを位置特定する能力である。本特徴は、モニタダイオードがそれらのコンポーネントの物理的に近くに設置されるとき、ＶＣＳＥＬを動作させるために使用される駆動電流／電圧が、電気的に結合し、光学モニタ回路内の雑音源となり得るため、重要である。雑音レベルは、高ＳＮＲおよび任意の誤読取値を提供するために、光学モニタ回路内で可能な限り低く保たれることが非常に望ましい。

図４Ａは、本教示のＬｉＤＡＲシステムのための透過性指向要素４１０を備える、監視式伝送機の実施形態の一部４００を示す。ＶＣＳＥＬアレイ４０２が、第１および第２のレンズ４０４、４０６に指向される、複数の光学ビームを発生させる。本実施形態では、光は、ＶＣＳＥＬアレイ４０２に向かって戻るように反射されない。光は、指向要素４１０上に衝突し、これは、本実施形態では、搭載プレートである、透過性要素である。本構成では、指向要素４１０は、光を、光学ビームの通路の共通点において、モニタ４０８に向かって伝送または通過させる。例えば、いくつかの実施形態では、モニタ４０８は、マイクロプリズムである。指向要素４１０は、各レーザからの光を含有する照明領域を画定する、レーザアレイによって発生された光学ビームの通路の共通点を伴う、位置に常駐する。したがって、指向要素４１０は、ＶＣＳＥＬアレイ４０２内の全てのレーザが照明領域に提供される光の一部を有し、光が照明領域内に設置されたモニタ４０８によってサンプリングされ得るように、レーザによって発生されている光学ビームのそれぞれからの光を通過させる。照明領域内の伝送される光のわずかな部分が、モニタ４０８によって、回折光学要素であり得る、小マイクロプリズムを使用して、主として、伝送機の光学軸と垂直な方向に反射される。

モニタ４０８のマイクロプリズムは、指向要素４１０に取り付けられて示され、これは、いくつかの実施形態では、透明光学ウィンドウであって、他の実施形態では、光学フィルタである、搭載プレートである。いくつかの構成では、指向要素４１０は、モニタ４０８を伴わない場合でも要求されるであろう、ＬｉＤＡＲ伝送機内の光学要素である。したがって、指向要素４１０は、２つの機能を提供し、そのうちの一方は、モニタ４０８のマイクロプリズムを固着することであって、他方は、性質上、光学性であることである。いくつかの構成では、指向要素４１０は、ＬｉＤＡＲシステムを外側環境から保護する。モニタ４１０内のマイクロプリズムは、光を、要求される光学信号レベルを維持するために十分に大きいコアを有する、光ファイバ４１２の中に結合するように示される。光ファイバ４１２は、次いで、光をモニタフォトダイオード（略図には図示せず）に指向する。

図４Ｂは、図４Ａに示される光学光線トレースの断面図４５０を図示する。断面図４５０は、指向要素４１０の平面におけるＶＣＳＥＬアレイ４０２内の異なるレーザの全てからの照明を包含する、照明領域４５２を示す。各ビームからの光を含む、照明領域４５２は、サンプルプリズム面積の収集面積４５４にわたってマッピングされて図示される。指向要素４１０は、伝送機アレイ内の全てのレーザが、マイクロプリズムを含む、モニタ４０８によってサンプリングされ得る、光の一部を有するように、共通点においてレーザによって発生されている光学ビームの経路内に設置される。

図４Ａに示される、サンプリングプリズムを伴う、監視式伝送機の実施形態は、いくつかの利点を有する。本実施形態の１つの特徴は、反射プレートをレンズシステム内から除去することによって、そのレンズシステムの製造および組立が、簡略化され、レンズシステムの回転対称性が、維持されることである。

図４Ａに示される、光ファイバ４１２を伴う、監視式伝送機の実施形態もまた、いくつかの利点を有する。本実施形態の１つの特徴は、ファイバ４１２が、モニタフォトダイオードがＶＣＳＥＬアレイ４０２およびＶＣＳＥＬ駆動回路網から物理的に離れて設置されることを可能にすることである。いくつかの実施形態では、モニタフォトダイオードは、ＶＣＳＥＬアレイ４０２駆動回路網と同一回路基板上にすらない。本構成は、主として、ＶＣＳＥＬアレイ４０２駆動回路が、光学モニタ信号内に存在する、任意の望ましくない雑音またはスプリアス信号をもたらす可能性を排除する。ＶＣＳＥＬアレイ４０２と共通回路基板上にあるモニタフォトダイオードと関連付けられる、物理的制約を排除することはまた、光学モニタのサイズおよびタイプが非常に柔軟であることを有効にし、これは、伝送機または製造プロセスのサイズおよび／または複雑性を低減させることを含む、多くの理由から、有利であり得る。

本教示の監視式伝送機の別の特徴は、光が照明領域を形成するために指向される共通点が、光学伝送機内の種々の点に位置付けられ得ることである。共通点は、投影要素およびレーザデバイスの位置によって決定されることができる。例えば、共通点は、伝送機光学システム内の最後の光学レンズ表面の前に位置付けられることができる。代替として、または加えて、共通点は、伝送機光学システム内の最後の光学レンズ表面の後に位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、光学モニタは、光学ウィンドウに取り付けられることができ、これは、伝送機経路内の最後の光学要素であって、ＬｉＤＡＲシステムを外側環境から保護する。他の実施形態では、光学モニタは、光学レンズ表面のうちの１つに取り付けられることができる。さらに他の実施形態では、光学モニタは、光学フィルタ要素に取り付けられることができ、これは、可視スペクトルの一部を遮断する。

本教示の監視式伝送機は、特定の構成に関連して説明されていることを理解されたい。これらの実施形態は、例証的にすぎず、本教示の範囲を限定することを意図するものではない。異なる実施形態の種々の側面は、本教示の方法およびシステムの利点を達成するために、異なる組み合わせで使用され得ることを理解されたい。

図５は、本教示による、監視式伝送機を含む、ＬｉＤＡＲシステム５００の実施形態のブロック図を図示する。ＬｉＤＡＲシステム５００は、６つの主要なコンポーネント、すなわち、（１）コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、（２）レーザドライバを含む伝送電子機器５０４と、（３）レーザアレイ５０６と、（４）受信および飛行時間算出電子機器５０８と、（５）検出器アレイ５１０と、（６）モニタ５１２とを有する。コントローラおよびインターフェース電子機器５０２は、ＬｉＤＡＲシステム５００の全体的機能を制御し、デジタル通信をホストシステムプロセッサ５１４に提供する。伝送電子機器５０４は、レーザアレイ５０６の動作を制御し、いくつかの実施形態では、アレイ５０６内の個々の要素のレーザ発射のパターンおよび／またはパワーを設定する。受信および飛行時間算出電子機器５０８は、電気検出信号を検出器アレイ５１０から受信し、次いで、これらの電気検出信号を処理し、飛行時間計算を通して、範囲距離を算出する。

モニタ５１２は、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、レーザドライバを含む伝送電子機器５０４との一方または両方に接続される。モニタ５１２は、検出された信号パワーに関する情報を提供し、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、レーザドライバを含む伝送電子機器５０４との一方または両方における処理と組み合わせて、パラメータの中でもとりわけ、レーザ波長、光学パワー、パルスタイミング、パルス周波数、および／またはパルス持続時間についての情報を提供する。いくつかの実施形態では、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２は、直接、モニタ５１２を制御し、そこから情報を得る。図５の実施形態は、光をモニタ５１２に指向する、部分的ミラー５１６を示す。しかしながら、当業者に明白であるように、ＬｉＤＡＲシステム５００は、本明細書に説明されるモニタ５１２の構成およびこれらの構成の公知の変形例のいずれかを用いて動作することができる。

いくつかの実施形態では、アレイ５０６内のレーザは、バイアス制御ループへの入力としての役割を果たす、モニタフォトダイオードから受信されたフォトダイオード電流に応答する、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、レーザドライバを含む伝送電子機器５０４との一方または両方を使用して、閉ループ構成で動作される。本構成は、レーザアレイ５０６によって発生された光学ビームの一部または全てからのパワーを含む伝送機光学パワーが、一定値の近くに維持されることを可能にすることができる。これは、システムが、温度および／または機械的偏移に対してより安定することを可能にする。また、光学パワーの監視およびレーザバイアスの制御を含む、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、レーザドライバを含む伝送電子機器５０４との一方または両方を介した制御ループを使用することは、ＬｉＤＡＲシステム５００の出力における光学パワーの損失を伴わずに、その寿命にわたって、レーザ効率のある量の劣化に適応することができる。

いくつかの実施形態では、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２は、モニタ５１２によって発生された光学パワー読取値を使用して、物体反射率を計算する。監視される光学パワーは、基準として使用されることができ、次いで、実際の光子計数／強度および事前較正に基づいて、改良された反射率データが、達成されることができる。本改良された反射率データは、知覚に関連する種々の公知のＬｉＤＡＲ用途のために使用される、システム内で利用されることができる。

本教示の方法および装置の別の特徴は、これらのモニタフォトダイオード実装が、ＬｉＤＡＲシステム自体の機能的安全性に対処し得ることである。例えば、パワーモニタ５１２を含む、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２および／またはレーザドライバを含む伝送電子機器５０４を介した制御ループが、例えば、測定された光学パワーがある閾値を下回るまたは上回る場合、ＬｉＤＡＲ伝送機が、故障していることを示すために使用されることができる。例えば、コントローラおよびインターフェース電子機器５０２と、レーザドライバを含む伝送電子機器５０４との一方または両方を使用し、かつパワーモニタ５１２を含む、制御ループが、光学パワーがある閾値を上回る場合、ＬｉＤＡＲ伝送機が眼安全性閾値を超えて動作していることを示すために使用されることができる。

本教示のＬｉＤＡＲシステムのための監視式伝送機は、単一ＶＣＳＥＬアレイを使用する、種々の実施形態に関連して説明されている。本教示は、１つを上回るＶＣＳＥＬアレイを含む、ＬｉＤＡＲ伝送機にも拡張され得ることを理解されたい。１つを上回るＶＣＳＥＬアレイを含む、これらの実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイは、モニタを被覆する、照明領域が、ＶＣＳＥＬアレイ毎に明確に異なる領域を有するように位置付けられる。これらの実施形態では、モニタフォトダイオードは、１つを上回るフォトダイオードを含むように構成されることができ、別個のモニタフォトダイオードは、別個の照明領域毎に使用されることができる。

均等物
本出願人の教示は、種々の実施形態と併せて説明されるが、本出願人の教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。むしろ、本出願人の教示は、当業者によって理解されるであろうように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、その中に成され得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。

Claims (32)

1. 光学パワー監視を伴う光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）伝送機であって、前記伝送機は、
   ａ）第１の平面に位置付けられるレーザアレイであって、前記レーザアレイは、入力に提供される電気信号に応答して、光学経路に沿って伝搬する複数の光学ビームを発生させる、レーザアレイと、
   ｂ）第１の投影光学要素であって、前記第１の投影光学要素は、前記複数の光学ビームが共通点において少なくとも部分的に重複するように、前記複数の光学ビームを投影する前記光学経路内に位置付けられる、第１の投影光学要素と、
   ｃ）第２の投影光学要素であって、前記第２の投影光学要素は、前記第１の投影光学要素の後の前記複数の光学ビームの光学経路内に位置付けられ、前記第１の投影光学要素からの光を伝送の方向に投影する、第２の投影光学要素と、
   ｄ）前記複数のビームの光学経路内の共通点に位置付けられる指向光学要素であって、前記指向光学要素は、前記複数のビームのそれぞれからの少なくとも一部の光を含む照明領域を第２の平面において生成する、指向光学要素と、
   ｅ）前記複数のビームのそれぞれからの少なくとも一部の光を収集する前記第２の平面における前記照明領域内に位置付けられるモニタであって、前記モニタは、前記収集された光に応答して、検出された信号を出力に発生させるフォトダイオードを備える、モニタと、
   ｆ）前記モニタの出力に接続される入力と、前記レーザアレイの入力に接続される出力とを伴うコントローラであって、前記コントローラは、前記検出された信号に応答して、前記レーザを制御し、前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成する電気信号を発生させる、コントローラと
   を備える、伝送機。
2. 前記レーザアレイは、ＶＣＳＥＬアレイを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
3. 前記レーザアレイは、２次元アレイを備え、前記アレイ内の少なくとも２つのレーザは、独立して動作されることができる、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
4. 前記第１および第２の平面は、同一平面にある、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
5. 前記第１および第２の平面は、異なる平面に位置付けられる、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
6. 前記指向光学要素および前記第２の投影光学要素は、同一光学要素である、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
7. 前記指向光学要素は、部分反射性要素を備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
8. 前記指向光学要素は、回折要素を備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
9. 前記指向光学要素は、プリズムを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
10. 前記指向光学要素は、ホログラフィック要素を備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
11. 前記指向光学要素は、部分反射性ミラーおよび光学フィルタの両方である、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
12. 前記指向光学要素は、平坦光学要素を備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
13. 前記指向光学要素は、透過性要素である、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
14. 前記指向光学要素は、光学コーティングを前記第２の投影光学要素上に備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
15. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、所定の性能メトリックを達成することを含む、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
16. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、眼安全性を達成することを含む、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
17. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、機能的安全性を達成することを含む、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
18. 前記モニタは、フォトダイオードを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
19. 前記モニタは、サンプリングプリズムを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
20. 前記モニタは、フォトダイオードに光学的に結合されるライトパイプを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
21. 前記ライトパイプは、前記レーザアレイと同一基板上に位置付けられる、請求項２０に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
22. 前記モニタは、前記収集された光についての波長情報を提供する多波長モニタを備える、請求項１に記載のＬｉＤＡＲ伝送機。
23. 光学パワー監視を伴う光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）の方法であって、前記方法は、
    ａ）光学経路に沿って伝搬する複数の光学ビームを第１の平面において発生させることと、
    ｂ）前記複数の光学ビームが共通点において少なくとも部分的に重複するように、前記複数の光学ビームを投影することと、
    ｃ）前記共通点からの光を指向し、それによって、前記複数のビームのそれぞれからの少なくとも一部の光を含む照明領域を第２の平面において生成することと、
    ｄ）前記第２の平面において、前記複数のビームのそれぞれからの少なくとも一部の光を収集し、前記収集された光に応答して、検出された信号を発生させることと、
    ｅ）前記検出された信号に応答して、前記複数の光学ビームの発生を制御し、前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成する電気信号を発生させることと
    を含む、方法。
24. 前記第１および第２の平面は、同一平面にある、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１および第２の平面は、異なる平面に位置付けられる、請求項２３に記載の方法。
26. 前記共通点からの光を指向することは、前記光を回折することを含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記共通点からの光を指向することは、前記光を反射させ、フィルタリングすることを含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記共通点からの光を指向することは、前記光を伝送することを含む、請求項２３に記載の方法。
29. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、所定の性能メトリックを達成することを含む、請求項２３に記載の方法。
30. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、眼安全動作条件を達成することを含む、請求項２３に記載の方法。
31. 前記ＬｉＤＡＲシステム伝送機の所望の動作を達成することは、機能的安全性を達成することを含む、請求項２３に記載の方法。
32. 前記検出された信号に応答して、前記電気信号を発生させることは、前記収集された光についての多波長情報を発生させることを含む、請求項２３に記載の方法。