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課題

アクティブチャネル間で発生しているクロストーク補償することができるマルチチャネル光検出及び測距システムを提供する。

解決手段

ステムは、複数のアクティブチャネルからなり、各々は、光に露光されるように配置された感光性素子301と、感光性素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、補償素子307が、感光性素子と共有ネットワーク302及び少なくとも1つの補償チャネルのアナログフロントエンド回路に電気的に接続されている。処理ユニット308が、アクティブチャネル及び少なくとも1つの補償チャネルからの信号を受信し、補償チャネルから受信した信号から少なくとも1つの補償信号を導き出し、アクティブチャネルのクロストーク干渉及び/またはアナログフロントエンド回路に共通の干渉311を、補償信号を使用して補償するために配置されている。

概要

背景

LIDAR(「光レーダ由来)システムは、当技術分野で周知である。用語LIDARシステムは、光検出及び測距システム頭字語として使用されている。かかるシステムは、入射光ビームを標的に向け、反射光ビームを検出することによって、その標的までの距離測定を行うように設計されている。標的までの距離は、入射光ビーム及び反射光ビームの飛行測定時間に基づいて計算され得る。LIDARシステムは、急ブレーキ適応型走行制御ブラインドスポット監視等、種々の適応型運転者支援(ADAS)用途で使用され得、LIDARシステムは、車両ナビゲーション支援する自動運転システムにおける主要検知構成要素のうちの1つであり得る。しかしながら、距離測定計測手段、3Dマッピング仮想現実拡張現実ロボット工学、自動化、安全監視等の用途も、LIDARシステムを使用することに留意されたい。

LIDARは、原則として、任意の光波長、例えば、画像物体までの紫外光可視光近赤外光、または赤外光を使用し得る。使用される波長は、用途の仕様ならびに光源及び光検出器等の(低コスト光学部品の有効性に依存して変わる。センサは、パルスが放出されたときから光の振幅を記録し、振幅対時間信号を使用して、光景内に位置する反射パルス整形を見つける。

多数の平行光検出チャネルを有するLIDARシステムが提案されてきた。フォトダイオードからの信号は、それらが標的物体までの距離を最終的に決定するために処理され得る信号に変換される、アナログフロントエンドブロックにおいて受信される。アナログフロントエンドブロックの典型的な例は、フォトダイオードの電流信号電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプである。

図1は、フォトダイオード配列102と、フォトダイオード配列から受信された信号が受信及び処理されるブロック101とを含む、LIDARシステム100を示す。照明源107は、光パルスまたは調光を、図1の例において高反射性物体104と低反射性の物体106とを含む光景内に放出する。示される例では、光景が、レンズ103を介して、LIDARシステム内の感光性素子102上に投射される。次いで、受信信号がブロック101において変換及び処理される。これは、典型的に、振幅、アナログ−デジタル変換、低域フィルタ、及びパルス検出(例えば、カーブフィットまたは相互相関を適用することによる)を含む。最終的に、往復遅延時間の半分の時間に光速を乗算することによって距離が決定される。

配列された検出ダイオードを有するかかるマルチチャネルLIDARシステムの中には、1つのチャネル(アグレッサ)から別のチャネル(ヴィクティム)までの著しいクロストーク干渉が存在し得る。半導体フォトダイオード配列の共通問題は、誘起性、抵抗性、または容量性カップリングがヴィクティムチャネル上で干渉パルスを引き起こすクロストークである。例えば、干渉パルスは派生的な整形であり得る。説明において後でより詳細に説明されるように、さらなるクロストークを図1のブロック101の一部であるアナログフロントエンドプレゼント(analog front−end present)によって導入することができる。

発生した干渉のために、ゴースト物体105(図1)を物体104及び106から反射した信号から観察することができる。この干渉は、光景の正確なレンダリングを損ない、セーフティクリティカルな用途に関する深刻な問題を構成する、誤検出または検出ミスの可能性の増加を引き起こす。

クロストークの問題を解決するための以前の試みは、サンプルの派生物または第1階差デジタル方式で取るアルゴリズム法に頼ってきた。簡単な理想化された干渉パターン補償することは可能であるかもしれないが、この手法は、例えば、視野のチャネルのフィールド内の複数の異なる物体からのパルスが結合して、任意に整形された反射信号を形成する場合、複雑な非線形干渉またはランダム干渉を容易に解決することができない。これらの問題をアルゴリズム的に解決する試みは、プロセス、電圧、及び温度(PVT)条件の変更をうまく追跡し得ない極度複雑性を引き起こす場合がある。

差動信号チェーンアーキテクチャも研究されてきたが、それらの実現可能性は、完全分離ダイオードにしばしば限定され、ダイオード標準混合信号CMOSプロセスで許容されているバイアス電圧よりはるかに高いバイス電圧をしばしば使用するという事実によって複雑になる。

したがって、マルチチャネルLIDARシステムにおいてクロストークを扱うための必要性がある。

概要

アクティブチャネル間で発生しているクロストークを補償することができるマルチチャネル光検出及び測距システムを提供する。システムは、複数のアクティブチャネルからなり、各々は、光に露光されるように配置された感光性素子301と、感光性素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、補償素子307が、感光性素子と共有ネットワーク302及び少なくとも1つの補償チャネルのアナログフロントエンド回路に電気的に接続されている。処理ユニット308が、アクティブチャネル及び少なくとも1つの補償チャネルからの信号を受信し、補償チャネルから受信した信号から少なくとも1つの補償信号を導き出し、アクティブチャネルのクロストーク干渉及び/またはアナログフロントエンド回路に共通の干渉311を、補償信号を使用して補償するために配置されている。

目的

アクティブチャネル間で発生しているクロストークを補償することができるマルチチャネル光検出及び測距システムを提供する

効果

実績

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請求項1

マルチチャネル光検出及び測距システムであって、前記マルチチャネル光検出及び測距システムが、−複数のアクティブチャネルであって、各々が、光に露光されるように配置された感光性素子と、前記感光性素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、それによって前記アクティブチャネルのうちの少なくとも1つが、少なくとも1つの他のアクティブチャネルに起因するクロストーク干渉による影響及び/または前記アナログフロントエンド回路に共通の干渉による影響を受けやすい、複数のアクティブチャネルと、−少なくとも1つの補償チャネルであって、同様に前記クロストーク干渉による影響を受けやすく、光に実質的に非感受性である補償素子と、前記補償素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、前記補償素子が、前記感光性素子と共有ネットワーク及び前記少なくとも1つの補償チャネルの前記アナログフロントエンド回路に電気的に接続されている、少なくとも1つの補償チャネルと、−処理ユニットと、を含み、前記処理ユニットが、前記アクティブチャネル及び前記少なくとも1つの補償チャネルからの信号を受信し、前記少なくとも1つの補償チャネルから受信した前記信号から少なくとも1つの補償信号を導き出し、前記アクティブチャネルの前記クロストーク干渉及び/または前記アナログフロントエンド回路に共通の前記干渉を、前記少なくとも1つの補償信号を使用して補償するために配置されている、マルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項2

前記補償素子がブラインドフォトダイオード(blindedphotodiode)として実装されている、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項3

前記補償素子がコンデンサとして実装されている、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項4

前記補償が前記アクティブチャネルから受信した前記信号からの前記少なくとも1つの補償信号を減算することを含む、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項5

前記感光性素子から受信した前記信号を修正するステップを含む、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項6

前記修正が、フィルタに対して、スケーリングを行うこと及び/または前記感光性素子から受信した前記信号を適用することを含む、請求項5に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項7

少なくとも2つの補償チャネルを含む、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項8

前記補償が、前記補償チャネルのうちの2つの位置が考慮される勾配補償を行うことを含む、請求項7に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項9

前記複数のアクティブチャネルの中の前記感光性素子が共通の端子を有する、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項10

前記処理ユニットが前記複数のアクティブチャネルの前記感光性素子及び前記アナログフロントエンド回路と同じ基板上にある、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項11

前記複数のチャネルの前記感光性素子が前記アナログフロントエンド回路及び前記処理ユニットとは異なる基板上にある、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項12

前記アクティブチャネルの前記感光性素子が前記少なくとも1つの補償チャネルの前記補償素子とは異なる基板上にある、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項13

前記処理ユニットがクロストーク干渉補償後に得られた信号を観察することによって信号チェーン欠陥を検出するために配置されている、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項14

前記処理ユニットが前記少なくとも1つの補償チャネルの性能統計から検出閾値を導き出すために配置されている、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

請求項15

前記アナログフロントエンド回路に共通の干渉信号所与の時間において生成するためにさらに配置され、それによって前記処理ユニットがクロストーク干渉補償後に得られた信号を前記所与の時間において観察することによって信号チェーン欠陥を検出するために配置されている、請求項1に記載のマルチチャネル光検出及び測距システム。

技術分野

0001

本発明は、概して、光検出及び測距システムの分野に関し、より詳細には、複数のチャネルを含む光検出及び測距システムに関する。

背景技術

0002

LIDAR(「光レーダ由来)システムは、当技術分野で周知である。用語LIDARシステムは、光検出及び測距システムの頭字語として使用されている。かかるシステムは、入射光ビームを標的に向け、反射光ビームを検出することによって、その標的までの距離測定を行うように設計されている。標的までの距離は、入射光ビーム及び反射光ビームの飛行測定時間に基づいて計算され得る。LIDARシステムは、急ブレーキ適応型走行制御ブラインドスポット監視等、種々の適応型運転者支援(ADAS)用途で使用され得、LIDARシステムは、車両ナビゲーション支援する自動運転システムにおける主要検知構成要素のうちの1つであり得る。しかしながら、距離測定計測手段、3Dマッピング仮想現実拡張現実ロボット工学、自動化、安全監視等の用途も、LIDARシステムを使用することに留意されたい。

0003

LIDARは、原則として、任意の光波長、例えば、画像物体までの紫外光可視光近赤外光、または赤外光を使用し得る。使用される波長は、用途の仕様ならびに光源及び光検出器等の(低コスト光学部品の有効性に依存して変わる。センサは、パルスが放出されたときから光の振幅を記録し、振幅対時間信号を使用して、光景内に位置する反射パルス整形を見つける。

0004

多数の平行光検出チャネルを有するLIDARシステムが提案されてきた。フォトダイオードからの信号は、それらが標的物体までの距離を最終的に決定するために処理され得る信号に変換される、アナログフロントエンドブロックにおいて受信される。アナログフロントエンドブロックの典型的な例は、フォトダイオードの電流信号電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプである。

0005

図1は、フォトダイオード配列102と、フォトダイオード配列から受信された信号が受信及び処理されるブロック101とを含む、LIDARシステム100を示す。照明源107は、光パルスまたは調光を、図1の例において高反射性物体104と低反射性の物体106とを含む光景内に放出する。示される例では、光景が、レンズ103を介して、LIDARシステム内の感光性素子102上に投射される。次いで、受信信号がブロック101において変換及び処理される。これは、典型的に、振幅、アナログ−デジタル変換、低域フィルタ、及びパルス検出(例えば、カーブフィットまたは相互相関を適用することによる)を含む。最終的に、往復遅延時間の半分の時間に光速を乗算することによって距離が決定される。

0006

配列された検出ダイオードを有するかかるマルチチャネルLIDARシステムの中には、1つのチャネル(アグレッサ)から別のチャネル(ヴィクティム)までの著しいクロストーク干渉が存在し得る。半導体フォトダイオード配列の共通問題は、誘起性、抵抗性、または容量性カップリングがヴィクティムチャネル上で干渉パルスを引き起こすクロストークである。例えば、干渉パルスは派生的な整形であり得る。説明において後でより詳細に説明されるように、さらなるクロストークを図1のブロック101の一部であるアナログフロントエンドプレゼント(analog front−end present)によって導入することができる。

0007

発生した干渉のために、ゴースト物体105(図1)を物体104及び106から反射した信号から観察することができる。この干渉は、光景の正確なレンダリングを損ない、セーフティクリティカルな用途に関する深刻な問題を構成する、誤検出または検出ミスの可能性の増加を引き起こす。

0008

クロストークの問題を解決するための以前の試みは、サンプルの派生物または第1階差デジタル方式で取るアルゴリズム法に頼ってきた。簡単な理想化された干渉パターン補償することは可能であるかもしれないが、この手法は、例えば、視野のチャネルのフィールド内の複数の異なる物体からのパルスが結合して、任意に整形された反射信号を形成する場合、複雑な非線形干渉またはランダム干渉を容易に解決することができない。これらの問題をアルゴリズム的に解決する試みは、プロセス、電圧、及び温度(PVT)条件の変更をうまく追跡し得ない極度複雑性を引き起こす場合がある。

0009

差動信号チェーンアーキテクチャも研究されてきたが、それらの実現可能性は、完全分離ダイオードにしばしば限定され、ダイオード標準混合信号CMOSプロセスで許容されているバイアス電圧よりはるかに高いバイス電圧をしばしば使用するという事実によって複雑になる。

0010

したがって、マルチチャネルLIDARシステムにおいてクロストークを扱うための必要性がある。

発明が解決しようとする課題

0011

アクティブチャネル間で発生しているクロストークを補償することができるマルチチャネル光検出及び測距システムを提供することが、本発明の実施形態の1つの目的である。

課題を解決するための手段

0012

上記目的は、本発明による解決策によって達成される。

0013

第1の態様において、本発明は、マルチチャネル光検出及び測距システムに関し、本システムが、
−複数のアクティブチャネルであって、各々が、光に露光されるように配置された感光性素子と、感光性素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、それによってアクティブチャネルのうちの少なくとも1つが、少なくとも1つの他のアクティブチャネルに起因するクロストーク干渉による影響及び/またはアナログフロントエンド回路に共通の干渉による影響を受けやすい、複数のアクティブチャネルと、
−少なくとも1つの補償チャネルであって、補償素子と、補償素子からの信号を受信するために配置されたアナログフロントエンド回路とを含み、前記補償素子が、感光性素子と共有ネットワークに第1の端子によって電気的に接続され、かつ少なくとも1つの補償チャネルのアナログフロントエンド回路と第2の端子によって接続されている、少なくとも1つの補償チャネルと、
処理ユニットと、を含み、処理ユニットが、
アクティブチャネル及び少なくとも1つの補償チャネルからの信号を受信し、
少なくとも1つの補償チャネルから受信した信号から少なくとも1つの補償信号を導き出し、
アクティブチャネルのクロストーク干渉及び/またはアナログフロントエンド回路に共通の干渉を、少なくとも1つの補償信号を使用して補償するために配置されている。

0014

提案の解決策は、実際に、クロストークを補償することができる。1つ以上の補償チャネルの中に補償素子を提供することによって、処理ユニットにおいて、補償素子を含むチャネル(複数可)の中の信号(複数可)から導き出された補償信号を得ることが可能である。この信号は、クロストーク干渉及び/またはアナログフロントエンド回路に共通の干渉の量の表示を含む。好ましい実施形態では、補償素子は、ブラインドフォトダイオード(blinded photodiode)、すなわち、光に非感応なフォトダイオードとして実装される。ブラインドダイオードを有する補償チャネルは、光からの信号を全く受信していない間はアクティブチャネルと同じ方法で干渉の影響を受けるため、補償チャネル信号は、マルチチャネルLIDARシステムにおけるクロストーク量の良好な推定として機能する。別の好ましい実施形態では、補償素子はコンデンサとして実装される。次いで、補償コンデンサの容量が、典型的には、フォトダイオードの容量に一致するように調節される。しかしながら、より高い容量値またはより低い容量値も使用されてもよい。

0015

補償のステップは、種々の方法で行うことができる。好ましい実施形態では、補償は、アクティブチャネルから受信した信号から少なくとも1つの補償信号を減算することを含む。

0016

一実施形態では、2つ以上の補償素子が、各々異なる補償チャネルに提供される。

0017

補償を行うための別の好ましい方法は、クロストーク補償が2つ以上の補償素子の信号の加重合計に基づいている勾配補償の使用に関与する。有利には、チャネルごとの補償は、アクティブチャネル(複数可)に対する補償チャネル(複数可)の物理的位置を考慮する。

0018

よりよい補償の有効性を達成するために、いくつかのパルス整形は、アクティブチャネル及び補償チャネルから受信した信号上で有利に行われる。ある特定の実施形態では、これは、アクティブチャネルと補償チャネルとの間のよりよい帯域幅適合性を得るように、フィルタに対して、スケーリングを行うこと及び/または信号を適用することによって達成される。一般に、任意のパルス整形の非線形関数または線形関数を使用することができる。

0019

別の実施形態では、前記複数のアクティブチャネルの中の感光性素子は、共通の端子、例えば、カソード端子を有する。

0020

好ましい実施形態では、処理ユニットは、前記複数のアクティブチャネルの感光性素子及びアナログフロントエンド回路と同じ基板上にある。

0021

一実施形態において、複数のアクティブチャネルの感光性素子は、アナログフロントエンドブロック及び処理ユニットとは異なる基板上にある。

0022

一実施形態において、前記アクティブチャネルの感光性素子は、少なくとも1つの補償チャネルの補償素子とは異なる基板上にある。

0023

有利には、処理ユニットは、クロストーク干渉補償後に得られた信号を観察することによって信号チェーン欠陥を検出するために配置されている。

0024

一実施形態において、処理ユニットは、少なくとも1つの補償チャネルの性能統計から検出閾値を導き出すために配置されている。

0025

別の実施形態では、マルチチャネル光検出及び測距システムは、前記アナログフロントエンド回路に共通の干渉信号所与の時間において生成するためにさらに配置され、処理ユニットは、クロストーク干渉補償後に得られた信号を前記所与の時間において観察することによって信号チェーン欠陥を検出するために配置されている。

0026

本発明及び先行技術で達成された利点を要約する目的で、本発明のある特定の目的及び利点を上で本明細書に記載した。もちろん、かかる目的または利点のすべてが本発明の任意の特定の実施形態に従って必ずしも達成され得ないことを理解されたい。したがって、例えば、本明細書で教示されるかまたは示唆されるような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されたような一利点または利点群を達成するかまたは最適化するように、本発明が具体化されるかまたは行われ得ることを、当業者は理解するであろう。

0027

本発明の上記及び他の態様は、以下の本明細書で記載される実施形態(複数可)から明白であり、かつこれらに関して解明されるであろう。

図面の簡単な説明

0028

例として、ここで本発明が添付図面を参照してさらに説明され、同様の参照番号は、種々の図における同様の要素を指す。

0029

典型的なLIDARシステムの構成要素を例証する図である。
本発明によるLIDARシステムの一実施形態を例証する図である。
得られた反射LIDAR信号及びクロストークアーチファクトを例証する図である。
安全確認機能のための提示システムの使用を例証する図である。

実施例

0030

本発明は、特定の実施形態に対して及びある特定の図面を参照して説明されるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

0031

さらに、第1、第2、ならびに説明内及び特許請求の範囲内での同様の用語は、同様の要素を区別するために使用され、必ずしも順位付けまたは任意の他の方法における一時的、空間的のいずれかで順序を説明するためのものではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で互換的であり、本明細書に記載の本発明の実施形態は、本明細書に記載または例証の順序ではなく、他の順序で操作可能であることを理解されたい。

0032

特許請求の範囲の中で使用される用語「含む(comprising)」は、以下の本明細書に列挙される手段に限定されるものとして解釈されるべきではなく、他の要素またはステップを除外するものではないことに留意されたい。したがって、参照されるような記載の特徴、整数、ステップ、または構成要素の存在を特定するものとして解釈されるが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、もしくは構成要素、またはこれらの群の存在もしくは追加を排除するものではない。したがって、表現「手段A及びBを含む装置」の範囲は、構成要素A及びBのみからなる装置に限定されるべきではない。本発明に関して、装置の唯一関連構成要素がA及びBであることを意味する。

0033

本明細書を通して「一実施形態(one embodiment)(an embodiment)」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態の中に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して種々箇所で、語句「一実施形態において(in one embodiment)(in one embodiment)」が登場する際、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すものではないが、そうであってもよい。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、1つ以上の実施形態において、本開示から当業者には明らかであるような任意の好適な方法において組み合わせることができる。

0034

同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、発明の種々の特徴は、しばしば、本開示を簡素化し、本発明の種々の態様のうちの1つ以上への理解を支援する目的で、単一の実施形態、図、またはこれらの説明の中で一緒分類されることを理解されたい。しかしながら、開示のこの方法は、請求の発明が各請求項にはっきりと引用されるものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるものではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示すように、発明の態様は、前述で開示の単一の実施形態のすべての特徴よりも少ないことにある。したがって、詳細な説明の後に続く特許請求の範囲は、これによってこの詳細な説明の中にはっきりと組み込まれ、各請求項が本発明の別個の実施形態としてそれ自体を主張する。

0035

さらに、本明細書に記載のいくつかの実施形態が他の実施形態に含まれるいくつかを含むが、他の特徴は含まない一方、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、当業者に理解されるように、本発明の範囲内であり、異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求の範囲において、請求の実施形態のうちのいずれかを任意の組み合わせで使用することができる。

0036

本発明のある特定の特徴または態様を説明する際、特定の用語の使用が、その用語が関連付けられている、本発明の特徴または態様の任意の特定の特性を含むことに限定されるように、その用語が本明細書で事前に定義されていることを意味するものとして取られるべきではないことに留意されたい。

0037

本明細書に提供の説明において、多数の具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明の実施形態がこれらの具体的な詳細を含まずに実施され得ることが理解される。他の例では、周知の方法、構造、及び技術は、この説明の理解を不明瞭にしないために、詳細には示されていない。

0038

本発明は、クロストークを補償するために適合されたマルチチャネルLIDARシステムを提示することを目的とする。提示のシステムでは、赤外LEDまたはレーザは、例えば、900nm超の範囲の波長でパルス光を放出するように配置され、その反射パルスを使用して、距離を、感光性素子、アナログ信号チェーン、及び信号処理アルゴリズムを使用して計算する。センサは、パルスが放出されたときから光の振幅を記録し、振幅対時間信号を使用して、光景内に位置する反射パルス整形を見つける。次いで、往復遅延時間の半分の時間に光速を乗算することによって距離が決定される。

0039

本発明によるLIDARシステムの一実施形態のハイレベルブロックスキームが、図2に示されている。複数のアクティブチャネルを含む線形配列が示されている。各アクティブチャネルは、感光性素子301を含む。感光性素子は、例えば、従来のフォトダイオード、PINフォトダイオードアバランシェフォトダイオードフォトレジスタ、または光を電気信号に変換することができる任意の他の素子であり得る。種々の感光性素子が、ネットワーク302を共有する。アクティブチャネルは、チャネルの中で感光性素子からの信号を受信するアナログフロントエンド回路をさらに含む。チャネル関数は、配列の前の物体から反射される光パルスを、さらなる処理のために好適な電気信号に変換することである。配列内の感光性素子(チャネル)の典型的な数は、ある特定の用途では、16である得る。図2に示される実施形態において読み取ることができるように、種々の感光性素子は、共通して、1つの端子、例えば、それらのカソード端子を有する。

0040

背景技術の項において簡単に既述したように、クロストーク干渉は、図2に示されるもののようなマルチチャネルLIDARシステム内において、種々の方法で生じ得る。クロストークは、信号306または311(図2)として表せられる電気信号変動として発生し得る。この変動は、それぞれネットワーク302または310にて読み取ることができる。かかる信号は、実信号に加えることができ、またゴースト画像として誤って解釈される場合がある。これらの変動は、実用的回路非理想性、例えば、感光性素子バイアスの(例えば、ワイヤボンドワイヤ、もしくはPCBトラック寄生インダクタンス、または光検出器のアノードもしくはカソードとして機能する共通半導体領域寄生抵抗、あるいはフィルタ用コンデンサの非理想性による)有限インピーダンスに起因し得る。電気信号変動の別の原因は、放射線による電磁気干渉グラウンドバウンスによる電磁気干渉、デジタルブロックハイパワーアナログブロック、もしくは出力ドライバからの基板クロストークによる電磁気干渉、または感光性素子バイアスの電圧リップルによる電磁気干渉であり得る。

0041

図2スキーム内で発生し得るクロストークの第1の例では、共通カソードネットワーク302の有限抵抗が、光電流上でのネットワーク電圧依存性(306)を作り出し、図3の派生物のようなアクティブチャネルアーチファクト204(アンダーシュート)及び203(オーバーシュート)を引き起こす。オーバーシュートは誤検出の危険性がある一方、アンダーシュートは検出ミスの危険性がある。

0042

第2の例では、PCBレベルでの電磁気干渉(EMI)は、アクティブチャネル内に出現している疑似パルス205を引き起こす場合がある共通モード干渉311を作り出し得る(図3)。かかるEMI誘起共通モード干渉は、誤検出の危険性がある。

0043

既述のように、操作では、光景が照明ユニット107によって照らされる。この照明ユニットは、全光景を網羅するフラッド照明を提供し得る。代替的に、これは、回転プラットフォーム、特定の方向において1つずつ光を発する一連の照明ユニット、移動ミラーのセット、及び/またはフェーズ配列を含むスキャンビームであり得る。使用される波長は、典型的にはNIR(近IR)であるが、任意の他のスペクトル範囲内であってもよい。

0044

アクティブチャネルは、感光性素子の端子を介して接続され、光信号を変換/振幅するアナログ信号チェーンを含むアナログフロントエンド回路を含む。アナログフロントエンド関数は、振幅、背景光減光電流電圧変換を含む。アナログフロントエンドブロックは、1つ以上のアンプ(例えば、トランスインピーダンスアンプ及び/または可変ゲインアンプ)を含む。好ましい実施形態では、アナログフロントエンド回路がトランスインピーダンスアンプとして実装される。任意選択で、多くの感光性素子がアナログフロントエンド回路を共有できるように、多重化手段が提供され得る。

0045

理想的な状況では、処理ユニット308において、図2の物体104及び106までの距離を、ここまでに説明されたようなシステムによって決定することが可能であるであろう。しかしながら、実際には、上で説明されるようなクロストーク干渉の問題に直面する。したがって、いくつかの重要な構成要素が本システム内でまだ必要とされる。

0046

クロストークを補償できるようにするために、本発明において、補償素子307と、補償素子からの信号を受信するアナログフロントエンド回路とを含む少なくとも1つの補償チャネルを有することが提案されている。補償素子は、その端子のうちの1つを介して、感光性素子と共有の既述のネットワーク(302)に電気的に接続され、その他の端子を介して、補償チャネルのアナログフロントエンド回路に接続される。

0047

有利な実施形態では、補償素子は、ブラインド感光性素子(例えば、フォトダイオード)、すなわち、光景からの光を全く受信しないかまたは非常に少量しか受信しない感光性素子として実装される。補償素子は、感光性素子の配列の末端位置付けられ得る。ブラインドフォトダイオードを有する補償チャネルは、光からの信号を全く受信していない間はアクティブチャネルと同じ方法で干渉の影響を受けるため、補償チャネル信号は、マルチチャネルLIDARシステムにおけるクロストーク量の良好な推定として機能する。別の好ましい実施形態では、補償素子はコンデンサとして実装される。典型的には、補償コンデンサの容量はフォトダイオードの容量と一致するように調節されるが、より高い容量値またはより低い容量値も使用されてもよい。

0048

次いで、得られた信号が、干渉を扱い、所望の範囲情報を抽出するように配置されている信号処理ユニットに適用される。

0049

干渉を補償するために、少なくとも1つの補償信号が補償チャネル(複数可)から受信した信号(複数可)から導き出される。一実施形態において、補償は、信号がアナログ−デジタル変換を受けた後に行われる。

0050

種々のアルゴリズムをクロストーク補償手順での使用のために予測することができる。1つの解決策は、補償信号をアクティブチャネルから受信した信号から単に減算することにある。別の実施形態では、補償信号は、減算される前に、最初にスケーリングされる。




(1)
異なるスケーリング係数を、異なるアクティブチャネルを補償するために使用することができる。

0051

より進んだクロストーク補償アルゴリズムでは、パルス整形関数を、補償チャネルとアクティブチャネルとの間の潜在的な実用的不一致(例えば、帯域幅の不一致、スルーレートの不一致等)を明らかにするために補償信号に適用することができる。次いで、補償を以下のように表すことができ、



(2)
式中、fiは、アクティブチャネルCHactive[i]に一致する補償チャネル信号のパルス整形関数である。例えば、パルス整形関数は、チャネル依存の調整可能な帯域幅を有する1次フィルタであり得る。任意の他の線形または非線形のパルス整形関数も可能である。任意選択で、別のパルス整形関数を、減算前に、アクティブチャネルに適用することができる。

0052

別の任意選択は、勾配補償の使用であり得る。これは、補償されるアクティブチャネルにより近い補償チャネルが他のチャネルよりも重みを有するべきであるという考えに基づいている。数学的に、これは、以下のように表せられる最も一般的な場合であり、



(3)
例として、2つの補償チャネルCHcomp1及びCHcomp2が存在し、1つが感光性素子の配列の片側にある場合を考慮されたい。次いで、補償を以下の式に従って適用することができ、



(4)
それによって、Nはアクティブチャネルの数を示す。
言うまでもなく、これは単なる一例であり、補償チャネルの他の位置及び他の補償の式またはアルゴリズムは容易に入手可能である。

0053

上述の補償アルゴリズムは単なる例であり、当業者はクロストーク干渉を補償するための他のアルゴリズムを容易に見つけることができることが繰り返される。

0054

補償パラメータ、例えば、等式(1)のスケーリング係数は、LIDARシステム製造較正中に計算することができる。任意選択で、補償パラメータを、操作中に、例えば、発光体アクティブではない場合に時間枠内で共通モード外乱311を注入し、任意の関数最小化法、例えば、勾配降下法を使用して、等式(1)によって定義される関数の二乗平均平方根値を最小化することによって、計算することができる。

0055

したがって、一実施形態において、補償は、受信信号がA/D変換される前に、例えば、等式(1)のスケーリング及び減算の操作が当技術分野で周知の、例えば、オペアンプを使用するアナログ回路設計技術を使用して実装されるアナログドメイン内でなすことができる。

0056

干渉補償が発生した後、結果として得られた信号は、典型的に、ローパスフィルタに適用される。次に、パルス検出が、例えば、カーブフィットアルゴリズムまたは相互相関に基づいて行われる。

0057

実装例に関しては、多くの任意選択が可能である。一実施形態において、感光性素子及びアナログフロントエンド回路は、同じチップ及び同じ基板上にある。しかしながら、別の実施形態では、これらは同じチップ上だが、別の基板上にあり得る。光学素子がシステムの一部である場合(例えば、図1参照)、これらは、ある特定の実施形態において同じチップ上にあり得る。またおそらく、任意選択のビームスキャン特徴を有する照明ユニットも同じチップ上に集積され得る。

0058

さらに、補償素子(複数可)は、ある特定の実施形態において、感光性素子と同じ基板上に位置し得る。これらは、代替的に、処理ユニットと一体化されてもよい。

0059

提示の解決策では、1つ以上の補償チャネルの存在もシステム診断に関する機会を提供する。この方法で、機能安全要求を監視することができる。より正確には、従来技術の解決策では、捕捉データが十分信頼できるか否かを、検出物体と、検出されるシステム用の物体が全くないときの時間との両方に関して、決定するための処理ユニットのための診断データが全くない。チャネルのうちの1つが故障している場合、その欠陥は検出されず、セーフティクリティカルな用途に関する深刻な問題であり得る検出ミスを引き起こす場合がある。

0060

補償チャネルを使用して、アナログ信号チェーンが、正しく動作しているか否か、及び有効な感光性素子(例えば、PINダイオード負荷に接続されているか否かを診断することができる。例えば、アナログフロントエンドブロックに共通の人工的な干渉信号を、発光体が非アクティブである期間中に故意に作り出すことができる。但し、すべてのアクティブチャネル及び補償チャネルの信号は、干渉パルス205を含むべきである。等式1〜4によって定義される補償アルゴリズム適用後に得られる信号は、ほぼゼロであるべきである。信号チェーン欠陥は、等式1〜4によって定義される前記信号のゼロからの過剰な偏差を観察することによって検出することができる。代替的に、この共通の人工的な干渉信号を、発光体がアクティブである期間中に故意に作り出すことができる。但し、すべてのアクティブチャネル及び補償チャネルの信号は、既知の時間において干渉パルス205を含むべきである。この干渉パルス205の既知の時間における欠如は、信号チェーン欠陥の徴候である。かかる人工的な干渉信号(311)は、処理ユニット308によって生成されたパルス信号の容量性カップリングによって、アナログフロントエンドブロックと共有の基準ノード310の中に作り出すことができる。別の実施形態では、前記人工的な干渉を、処理ユニット308によって生成されたパルス信号の容量性カップリングによって、感光性素子と共有のノード302の中に作り出すことができる。代替的に、前記人工的な干渉を、処理ユニット308によって生成されたパルス信号の抵抗カップリングを使用することによって、感光性素子及びアナログフロントエンドブロックと共有のノードの中に作り出すことができる。かかる人工的な干渉信号及び他の信号整形を生成する他の容量性、誘起性、抵抗性の方法が、もちろん可能である。前記人工的な干渉信号はまた、記載のLIDARシステムの外部システムであり得る別のシステムによって、生成またはトリガーすることができる。

0061

これに加えて、補償チャネルの統計を使用して、動的検出閾値を自動的に導き出し、ノイズが存在しない場合に増加した感度を調整しつつ、誤検出(クリティカル)の可能性を大幅に低減することができる。

0062

例証を図4に提供する。この図は、環境からの光刺激401が適用される光変換器配列を示す。配列は複数のアクティブ素子403を含み、配列の片側端部にて、ブラインド感光性素子が補償チャネルの一部として提供される。アクティブチャネルは、感光性素子及びこれらのそれぞれのアナログフロントエンド回路によって、アナログ信号チェーン406の中に形成される。同様に、補償チャネルは、ブラインド素子及びアナログフロントエンド回路を、アナログ信号チェーン406の中に含む。配列への共通の電源404が同様に示される。処理ユニットへ出力された信号、すなわちアクティブ信号408及び補償チャネルからの信号407、が同様に示される。後者の信号407はまた、機能安全健全性チェック(functional safety health check)のために使用される。

0063

本発明を図面及び前述の説明にて詳細に例証及び説明してきたが、かかる例証及び説明は、説明的及び例示的に考慮されるものであり、限定的に考慮されるものではない。前述の説明は、本発明のある特定の実施形態を詳述している。しかしながら、前述が文脈内でいかに詳細に登場しても、本発明を多くの方法で実施することができることが理解されるであろう。本発明は、開示の実施形態に限定されない。

0064

開示の実施形態に対する他の変化形は、請求の発明を実施する際、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の理解により、当業者によって理解及び影響され得る。特許請求の範囲において、語「含む(comprising)」は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定詞「a」または「an」は複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたは他のユニットは、特許請求の範囲で引用されるいくつかの項目の機能を満たし得る。単に、ある特定の測定が相互に異なる独立請求項の中で引用されているという事実が、これらの測定の組み合わせを有利に使用することができないことを示すことはない。コンピュータプログラムは、光学記憶媒体もしくは一緒に供給される固体媒体または他のハードウェアの一部等の好適な媒体上で格納/配信することができるが、インターネットまたは他の有線もしくは無線電気通信システム等を介する他の形態でも配信することができる。特許請求の範囲における任意の引用符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

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