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図面 (20)

課題・解決手段

エアボーン用途および自動車用途において一般的であると考えられる限定的なレーザ送信出力でもって動作するLADARセンサのためのビームステアリング能力が提案される。LADARシステムはまた、利用可能なレーザ送信出力が電力、サイズおよび/またはコスト上の制限によって限定されている場合に、受信器において信号対雑音比を高めるように動作する受信器における光学利得素子を使用することができる。1つの実施の形態においては、LADARセンサにおける各ピクセル較正が、多数のピクセル増幅器を備えている電気増幅器アレイによって提供される。各ピクセル増幅器を個別に較正して、検出素子整合させ、それによって検出器アレイにおけるすべてのピクセル間の利得の変動および暗電流の変動を除去することができる。検出器アレイの多数の新規の設計が記載されており、それらによってコストをより削減することができ、性能を改善することができ、また検出器アレイ、増幅器アレイおよび読出し集積回路低コストかつ高性能の新規のパッケージが導入される。

概要

背景

概要

エアボーン用途および自動車用途において一般的であると考えられる限定的なレーザ送信出力でもって動作するLADARセンサのためのビームステアリング能力が提案される。LADARシステムはまた、利用可能なレーザ送信出力が電力、サイズおよび/またはコスト上の制限によって限定されている場合に、受信器において信号対雑音比を高めるように動作する受信器における光学利得素子を使用することができる。1つの実施の形態においては、LADARセンサにおける各ピクセル較正が、多数のピクセル増幅器を備えている電気増幅器アレイによって提供される。各ピクセル増幅器を個別に較正して、検出素子整合させ、それによって検出器アレイにおけるすべてのピクセル間の利得の変動および暗電流の変動を除去することができる。検出器アレイの多数の新規の設計が記載されており、それらによってコストをより削減することができ、性能を改善することができ、また検出器アレイ、増幅器アレイおよび読出し集積回路低コストかつ高性能の新規のパッケージが導入される。

目的

したがって、LADARセンサの視野照明するために、低出力半導体レーザアレイと共に動作することができるLADARセンサを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

LADARシステムにおいて、前記LADARシステムは、第1のLADARセンサおよび第2のLADARセンサを含んでおり、前記第1のLADARセンサは、前記第1のLADARセンサの第1の視野内の反射性の表面を照明するように適合されている拡散光学系を介して第1の波長で光を伝送するパルスレーザ光出力を備えている、レーザ送信器と、前記パルスレーザ光出力の開始をシグナリングするように適合されており、かつケーブルを介して前記第2のLADARセンサに接続されている、時間ゼロ基準出力と、を有しており、前記第2のLADARセンサは、前記第1の視野と重畳する、第2の視野と、前記ケーブルに接続されている、時間ゼロ基準入力と、時間ゼロ基準電気出力を備えており、かつ前記時間ゼロ基準入力に接続されている、時間ゼロ基準回路と、前記反射性の表面から反射されたパルスレーザ光を収集および調整するように適合されている、受信光学系と、前記受信光学系の焦平面に配置されている複数の感光性検出器から成る2次元アレイであって、前記感光性検出器のそれぞれが、前記表面から反射された前記パルスレーザ光出力のピクセル化された一部を捕捉し、かつ電気応答信号を形成する出力を備えている、2次元アレイと、前記感光性検出器のアレイ電圧分配グリッドに接続されている、検出器バイアス回路と、クロック回路および複数のユニットセル電気回路を備えている、読出し集積回路と、を有しており、前記ユニットセル電気回路はそれぞれ、前記クロック回路および前記時間ゼロ基準電気出力に接続されている入力と、前記感光性検出器の出力のうちの1つに接続されている入力を備えている増幅器と、を有しており、各増幅器は出力を有しており、該増幅器の出力にはパルス検出回路が接続されており、該パルス検出回路は、終了出力と、前記時間ゼロ基準電気出力および前記クロック回路に接続されているカウンタと、を有しており、前記カウンタは、前記時間ゼロ基準電気出力によって計数を開始し、かつ前記終了出力に接続されており、該終了出力によって計数を停止し、かつ前記表面までの距離に比例する出力を有する、LADARシステム。

請求項2

前記第2のLADARセンサは、車両に取り付けられている、請求項1記載のLADARシステム。

請求項3

前記第2のLADARセンサは、前記増幅器それぞれの出力に接続されている電圧サンプリング回路を有している、請求項1記載のLADARシステム。

請求項4

前記ケーブルは、光ファイバケーブルである、請求項1記載のLADARシステム。

請求項5

前記ケーブルは、少なくとも1つの導電体を有している、請求項1記載のLADARシステム。

請求項6

前記レーザ送信器は、少なくとも1つの半導体レーザを含んでいる、請求項1記載のLADARシステム。

請求項7

前記レーザ送信器は、固体レーザである、請求項1記載のLADARシステム。

請求項8

前記第2のLADARセンサは、ヘッドライトウィンカテールライトパーキングライトおよびブレーキライトから成るセットから選択されたアセンブリ統合されている、請求項1記載のLADARシステム。

請求項9

LADARセンサにおいて、前記LADARセンサは、前記LADARセンサの視野内の反射性の表面を照明するように適合されている、パルスレーザ光のビームを生成するレーザ送信器と、反射面を有しており、かつレーザ光出力ビームを少なくとも1つの軸において前記視野にわたり操作するように適合されている、ビームステアリングメカニズムと、パルスレーザ光の伝送の開始をシグナリングするように適合されている時間ゼロ基準電気出力を備えている、時間ゼロ基準回路と、前記反射性の表面から反射されたパルスレーザ光を収集および調整するように適合されている、受信光学系と、前記受信光学系の焦平面に配置されている複数の感光性検出器から成る2次元アレイであって、前記感光性検出器のそれぞれが、前記表面から反射された前記パルスレーザ光のピクセル化された一部を捕捉し、かつ電気応答信号を形成する出力を備えている、2次元アレイと、前記感光性検出器のアレイの電圧分配グリッドに接続されている、検出器バイアス回路と、クロック回路および複数のユニットセル電気回路を備えている、読出し集積回路と、を有しており、前記ユニットセル電気回路はそれぞれ、前記クロック回路および前記時間ゼロ基準電気出力に接続されている入力と、前記感光性検出器の出力のうちの1つに接続されている入力を備えている増幅器と、を有しており、各増幅器は出力を有しており、該増幅器の出力にはパルス検出回路が接続されており、該パルス検出回路は、終了出力と、前記時間ゼロ基準電気出力および前記クロック回路に接続されているカウンタと、を有しており、前記カウンタは、前記時間ゼロ基準電気出力によって計数を開始し、かつ前記終了出力に接続されており、該終了出力によって計数を停止し、かつ前記表面までの距離に比例する出力を有している、LADARセンサ。

請求項10

前記LADARセンサは、車両に取り付けられている、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項11

前記レーザ送信器は、半導体レーザのアレイである、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項12

前記LADARセンサは、ヘッドライト、ウィンカ、テールライト、パーキングライトおよびブレーキライトから成るセットから選択されたアセンブリに統合されている、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項13

前記受信光学系は、光受経路内に取り付けられている電気機械式シャッタを有している、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項14

感光性検出器の前記2次元アレイは、ヒ化インジウムガリウムアルミニウム変性層にわたり成長されたヒ化インジウムガリウムエピタキシャル層に形成されている、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項15

前記ビームステアリングメカニズムは、MEMSタイプの撓み部材である、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項16

前記ビームステアリングメカニズムは、シリコン基板上に形成されている、請求項9記載のLADARセンサ。

請求項17

LADARセンサにおいて、前記LADARセンサの視野内の反射性の表面を照明するように適合されている、パルスレーザ光の出力を備えているレーザ送信器と、パルスレーザ光の伝送の開始をシグナリングするように適合されている時間ゼロ基準電気出力を備えている、時間ゼロ基準回路と、前記反射性の表面から反射されたパルスレーザ光を収集および調整するように適合されている、受信光学系と、前記収集および調整されたパルスレーザ光を受信するように配置されている入力面を備えており、かつ、前記パルスレーザ光を光学的に増幅し、該光学的に増幅されたパルスレーザ光を出力面に伝送する、光学利得ブロックと、前記光学利得ブロックの前記出力面からの光を捕捉するように配置されている複数の感光性検出器から成る2次元アレイであって、前記感光性検出器のそれぞれが、前記表面から反射された前記パルスレーザ光のピクセル化された一部を捕捉し、かつ電気応答信号を形成する出力を備えている、2次元アレイと、前記感光性検出器のアレイの電圧分配グリッドに接続されている、検出器バイアス回路と、クロック回路および複数のユニットセル電気回路を備えている、読出し集積回路と、を有しており、前記ユニットセル電気回路はそれぞれ、前記クロック回路および前記時間ゼロ基準電気出力に接続されている入力と、前記感光性検出器の出力のうちの1つに接続されている入力を備えている増幅器と、を有しており、各増幅器は出力を有しており、該増幅器の出力にはパルス検出回路が接続されており、該パルス検出回路は、終了出力と、前記時間ゼロ基準電気出力および前記クロック回路に接続されているカウンタと、を有しており、前記カウンタは、前記時間ゼロ基準電気出力によって計数を開始し、かつ前記終了出力に接続されており、該終了出力によって計数を停止し、かつ前記表面までの距離に比例する出力を有する、LADARセンサ。

請求項18

前記LADARセンサは、車両に取り付けられている、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項19

前記レーザ送信器は、半導体レーザのアレイである、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項20

前記LADARセンサは、ヘッドライト、ウィンカ、テールライト、パーキングライトおよびブレーキライトから成るセットから選択されたアセンブリに統合されている、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項21

前記受信光学系は、光受信経路内に取り付けられている電気機械式のシャッタを有している、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項22

感光性検出器の前記2次元アレイは、ヒ化インジウムガリウムアルミニウムの変性層にわたり成長されたヒ化インジウムガリウムのエピタキシャル層に形成されている、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項23

感光性検出器の前記2次元アレイは、シリコン基板に接合されているヒ化インジウムガリウムのエピタキシャル層に形成されている、請求項21記載のLADARセンサ。

請求項24

前記光学利得ブロックは、エルビウムドープ型ファイババンドルである、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項25

前記光学利得ブロックは、垂直キャビティ型の半導体光増幅器である、請求項17記載のLADARセンサ。

請求項26

LADARセンサにおいて、前記LADARセンサの視野内の反射性の表面を照明するように適合されている、パルスレーザ光の出力を備えているレーザ送信器と、パルスレーザ光の伝送の開始をシグナリングするように適合されている時間ゼロ基準電気出力を備えている、時間ゼロ基準回路と、前記視野内の前記反射性の表面から反射されたパルスレーザ光を収集および調整するように適合されている、受信光学系と、前記受信光学系の焦平面に配置されている複数の感光性検出器から成る2次元アレイであって、前記感光性検出器のそれぞれが、前記表面から反射されたパルスレーザ光のピクセル化された一部を捕捉し、かつ電気応答信号を形成する出力を備えている、2次元アレイと、前記感光性検出器のアレイの電圧分配グリッドに接続されている、検出器バイアス回路と、それぞれが前記感光性検出器のうちの1つの出力に接続されている入力と、ピクセル増幅器電気出力と、を備えているピクセル増幅器を複数有している、増幅器アレイと、クロック回路および複数のユニットセル電気回路を備えている読出し集積回路であって、前記ユニットセル電気回路のそれぞれが、前記クロック回路に接続されている入力と、前記ピクセル増幅器電気出力のうちの1つに接続されているアナログ入力と、該アナログ入力に接続されており、かつ出力を有しているパルス増幅器と、を備えている、読出し集積回路と、終了出力と、前記時間ゼロ基準電気出力および前記クロック回路に接続されているカウンタと、を備えており、かつ前記パルス増幅器の出力に接続されているパルス検出回路であって、前記カウンタは、前記時間ゼロ基準電気出力によって計数を開始し、かつ前記終了出力に接続されており、該終了出力によって計数を停止し、かつ前記表面までの距離に比例する出力を備えている、パルス検出回路と、を有している、LADARセンサ。

請求項27

前記LADARセンサは、車両に取り付けられている、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項28

前記レーザ送信器は、半導体レーザのアレイである、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項29

前記LADARセンサは、ヘッドライト、ウィンカ、テールライト、パーキングライトおよびブレーキライトから成るセットから選択されたアセンブリに統合されている、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項30

前記受信光学系は、光受信経路内に取り付けられている電気機械式のシャッタを有している、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項31

感光性検出器の前記2次元アレイは、シリコン基板に接合されているヒ化インジウムガリウムのエピタキシャル層に形成されている、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項32

前記ピクセル増幅器は、オフセット制御部を有している、請求項26記載のLADARセンサ。

請求項33

前記ピクセル増幅器は、利得制御部を有している、請求項26記載のLADARセンサ。

技術分野

0001

発明者:パトリック・ギリーランドロジャー・ステットナー
背景技術
発明の分野
本明細書において開示する実施の形態は、一般的には、3D画像生成および対象物識別およびトラッキングに関し、また特に、交通災害回避、衝突回避および自律航法のような自動車用途のためのLADARセンサに関する。本発明は、光出力が制限されているLADARセンサの動作に起因して生じる問題を補償する。

0002

関連技術の参照
ステットナー等の米国特許第5,446,529号、第6,133,989号および第6,414,746号に開示されている3D撮像技術では、単一の光パルス、一般的にはパルスレーザ光を用いることにより、慣例の2D写真のすべての情報が3次元座標に沿って提供される。つまり、視野(field of view)内のあらゆるものの3D座標がもたらされる。この使用形態は、一般的には、フラッシュ3D撮像(Flash 3D imaging)と称され、自己完結型光源のためにフラッシュ装置を使用する通常のディジタル2Dカメラに類似するものである。通常の2Dディジタルカメラを用いる場合と同様に、光はレンズによって、LADARセンサの焦平面焦点合わせされる。このLADARセンサは、焦平面アレイFPA:Focal Plane Array)と称される複数のピクセルから成るアレイを含んでいる。LADARセンサの場合には、それらのピクセルは「スマート」であって、データを収集することができ、プロセッサは、それらのデータを用いることによって、関心のある対象物における反射性の特徴部までのレーザパルス飛行ラウンドトリップタイムを計算することができる。

0003

光学的な撮像カメラおよびビデオカメラ車両システムにおいて使用して、シーンの3Dマップおよび固体の対象物のモデルを作成し、また3Dデータベースを使用してナビゲートおよびステアリングを行い、静止している対象物または動いている対象物との衝突を回避することに取り組むシステムが多数提案されている。ステレオシステム、ホログラフィックキャプチャシステム、および運動から形状を取得するシステムは、この用途において十分な性能を証明することはまだできていないが、しかしながら3D LADARを基礎とするシステムは、移動する車両の進路内の、または車両が交差点走行する際の対象物および道路の特徴部の3D画像を、十分な速度および精度で高速捕捉する能力を示しており、それによってホスト車両は、衝突および交通災害を回避して、最善の経路運転することができる。低コストかつ頑な設計をもたらすためには、光出力が制限されている、半導体タイプのレーザパルス送信器の使用が必要なると予見される。

0004

したがって、LADARセンサの視野を照明するために、低出力半導体レーザアレイと共に動作することができるLADARセンサを提供することが所望される。さらに、LADARセンサによって、車両周囲領域全体マッピングでき、かつ移動する他の車両、交通災害および歩行者を回避できることが所望される。

0005

発明の概要
本発明の実施の形態によるLADARセンサには、LADARセンサの視野内のシーンを照明するためのパルス半導体レーザが組み込まれている。一般的には、非常に出力が高い単一のレーザパルスが、固定された拡散光学系によって視野全体にわたり光学的に拡散される。半導体レーザの低減された出力を、LADAR受信器の改善された感度によって、または半導体レーザの出力を空間的に集中させて、その集中させたビームで視野を掃引することによって相殺することができる。光学検出器の焦平面アレイは、受光および集束レンズ後方に配置されており、また読出し集積回路が焦平面アレイの検出器電気的な出力に接続されている。読出し集積回路内では、ユニットセル電気回路のアレイが、焦平面アレイの検出素子において電気パルスに変換されている、到来した光パルスを増幅および検出する。各ユニットセル電気回路は、高速タイミングクロックに接続されており、各ユニットセル内においてディジタルタイマである。ディジタルタイマは、シーン照明光パルスのフラッシュによって計数を開始し、タイミングクロックの周期の数を計数する。ディジタルカウンタは、到来する光パルスの到着時点に発生する電気パルスがユニットセルにおいて検出された時点に停止される。したがって、LADARシステムの視野内の各反射性の表面までの射程距離センシングして、ディジタル式に測定することができる。

0006

代替的な実施の形態において、各LADARセンサは、集光および集束レンズと光学検出器の焦平面アレイとの間の光受信器経路内に、光学利得素子を含むことができる。この光学利得素子を、例えばエルビウムドープ型ファイバ増幅器の例のように、光学的にポンピングすることができるか、または半導体光増幅器の場合のように電気的にポンピングすることができる。

0007

別の実施の形態においては、各LADARセンサが、リン化インジウムヒ化ガリウムまたはシリコンから成る基板上に形成された、ヒ化インジウムガリウムから成る検出器の焦平面アレイを有することができる。1つの別の実施の形態においては、電気増幅器アレイを、光学検出器の焦平面アレイと読出し集積回路との間に挿入することができる。さらに別の実施の形態においては、電気増幅器アレイおよび読出し集積回路に基板を貫通するスルーホールビアを設けて、ワイヤボンディングを省略することができ、それによって、低コストで寄生容量が少ない、焦平面アレイおよび読出し集積回路のパッケージングが実現される。

0008

上記において説明した特徴、機能および利点を、本発明の種々の実施の形態において、独立して達成することができるか、またはさらに別の実施の形態において、以下の説明および添付の図面を参照することによって明らかにすることができるさらなる詳細と組み合わせることができる。

図面の簡単な説明

0009

舗道に設けられているレトロリフレクタによって後方散乱された強い光と、表面に同様に再帰反射性の部材が設けられている一時停止標識によって後方散乱された光と、を受信する、車両の前部右側における第1のLADARセンサについての、一般的な光学的過負荷シナリオを示す。
図1に示した光学的過負荷シナリオに関する1つの解決手段を示す。前方に向けられている2つのLADARセンサは、車両の前部に配置されており、レトロリフレクタのアングルの最も近くに位置する右側のLADARセンサは、最も左側のLADARセンサから送信されたレーザパルスに応答する。LADARセンサ間に双方向のコネクションが示されており、それらの双方向のコネクションによって、最も左側のLADARセンサからのシーン照明レーザパルスの伝送を指示する正確な時間ゼロ基準信号が最も右側のLADARセンサに供給され、またそれとは反対に、最も右側のLADARセンサからのシーン照明レーザパルスの伝送を指示する正確な時間ゼロ基準信号が最も左側のLADARセンサに供給される。
車両電気系統と、CPUと、車両サスペンションを制御し、慣性航法基準を提供し、グローバルポジショニングシステム基準を提供し、エアバッグ展開についての判定を行い、また二重無線リンクを介して外界通信する複数のサブシステムと、を含む、典型的な車載構成要素のブロック図を示す。
LADARセンサ制御プロセッサと、レーザ照明パルスを生成し、反射されたレーザパルスを受信し、データを分類し、画像を保存し、かつ画像データセット内の対象物を識別するためのサブシステムと、の間のコネクションおよび機能を表す、ビームステアリングLADARセンサのブロック図を示す。
図4の読出し集積回路(ROIC)のユニットセルのブロック図を示す。
端面発光レーザ、固定されたミラーアングルブロック、2軸で撓むことができるMEMS型マイクロミラーによって特徴付けられている、ビームステアリングメカニズム部分側面図を示す。
2つの端面発光レーザ、2つのロッドレンズおよび2軸で撓むことができる2つのMEMS型マイクロミラーによって特徴付けられている、ビームステアリングメカニズムの部分側面図を示す。
端面発光レーザ、ロッドレンズおよび2軸で撓むことができる2つのMEMS型マイクロミラーの縦続接続によって特徴付けられている、ビームステアリングメカニズムの部分側面図を示す。
垂直キャビティ表面放射型レーザシリコン基板および2軸で撓むことができる2つのMEMS型マイクロミラーによって特徴付けられている、ビームステアリングメカニズムの部分側面図を示す。
図6Bに示した構造を等角図で表したものと、パルスレーザ送信器によって掃引される、ピクセル化された遠距離場パターンとを示す。
4つの面それぞれに拡散オプティカルフラット接合されている、エルビウムドープ型ファイバから成る溶融型バンドルファイバを表す光学利得ブロックの等角図を示す。
4つの面のうちの1つに、垂直キャビティ表面放射型レーザ(VCSEL)から成るアレイのアセンブリが表されている、光学利得ブロックの等角図を示す。
4つの面それぞれに拡散オプティカルフラットおよびVCSELアレイが接合されている、エルビウムドープ型ファイバから成る溶融型バンドルファイバを表す、図7Cの光学利得ブロックの端面図を示す。
拡散素子および45°のダイクロイックミラーを介して接続されているVCSELアレイによって光学的にポンピングされる溶融型ファイバの光学利得ブロックを有している、LADARセンサの部分側面図を示す。
光受信経路内に配置されている半導体光増幅器(SOA)のアレイを有している、LADARセンサの部分側面図を示す。
図9の半導体光増幅器(SOA)のアレイの個々の素子の部分側面図を示す。
オプティカルフラットが形成されている、図9の半導体光増幅器(SOA)のアレイの個々の素子の部分側面図を示す。
廉価なGaAs基板上に成長された変性エピタキシャル層上に成長されているInGaAs検出器アレイを使用する、ハイブリッド型の焦平面アレイ(FPA)の部分側面図を示す。検出器アレイは、読出し集積回路(ROIC)に接続されており、表面から裏面まで延びる基板貫通ビアによって形成された相互接続部を多数有している。
図11のハイブリッド型の焦平面アレイ(FPA)を含む気密パッケージの部分側面図を示す。
廉価なGaAs基板上に成長された変性エピタキシャル層上に成長されているInGaAs検出器アレイを使用する、ハイブリッド型の焦平面アレイ(FPA)の部分側面図を示す。検出器アレイは、表面から裏面まで延びる基板貫通ビア(TSV)によって形成された電気的なコンタクトを有している電気増幅器アレイに取り付けられている。増幅器アレイは、気密窓カバーを有している基板に取り付けられている。基板の裏面には、読出し集積回路(ROIC)が取り付けられている。
表面から裏面まで延びる基板貫通ビアによって形成された電気的なコンタクトを有している電気増幅器アレイに取り付けられている離散的なInGaAs検出器のアレイを使用する、ハイブリッド型の焦平面アレイ(FPA)の部分側面図を示す。増幅器アレイは、プリント回路基板に取り付けられている。回路基板の裏面には、読出し集積回路(ROIC)が取り付けられている。
P−intrinsic−N(PIN)検出器構成に適した、ヒ化インジウムガリウムのエピタキシャル層を有している、リン化インジウムのウェハに接合されている、シリコンウェハを示す。
リン化インジウムウェハの厚みの大部分が除去されている、シリコンウェハに接合されたリン化インジウムウェハを示す。
ヒ化インジウムガリウムのエピタキシャル層およびリン化インジウムにおけるトレンチの形成による、ヒ化インジウムガリウムエピタキシャル層におけるPIN構造の絶縁されたメサの構造を示す。
絶縁されたPINメサ構造におけるアノードおよびカソード両コンタクトの構成を示す。
支持回路基板に取り付けられており、かつ長手方向に沿って取り付けられているデカップリングコンデンサを有している、図15Dの検出器アレイの平面図を示す。
図4図5図8および図11から図16に記載されているタイプの検出器アレイの検出素子を含む、図13および図14の増幅器アレイのピクセル増幅器素子を概略的に示す。

0010

詳細な説明
本出願は、先行特許第5,696,577号、第6,133,989号、第5,629,524号、第6,414,746号、第6,362,482号、第D463,383号、および2002年1月31日に出願され、米国特許出願公開第2002/0117340号明細書(US2002/0117340A1)として公開されている、米国特許出願第10/066340号に関連する新たな発明の主題を含むものである。ここに挙げた刊行物開示内容は、参照により本願に含まれる。

0011

本明細書に開示されている実施の形態によって、性能が改善された小型の撮像LADARシステムが実現される。そのようなシステムの用途は、自動車衝突回避および自律航法、地形マッピング、着陸およびドッキング、ならびに3D動画グラフィックキャプチャであってよい。これらの改善形態は、エルビウムドープ型ファイバから構成することができるか、または半導体に形成することができる光学利得ブロックを含んでいる。複数のLADARの設置形態において、第1のLADAR送信器の照明パルスを第2のLADARの受信器と協働させる機能を説明する。この機能によって、視野内の隅にある反射器に起因する飽和の影響を低減することができる。さらに、検出器アレイサブアセンブリについての多数の改善形態を紹介する。検出器アレイおよび読出し集積回路(ROIC)から成るハイブリッドアセンブリには、多数の新規の特徴が組み込まれている。検出器アレイと読出しICとの間に設けられている別個アナログ増幅器アレイの使用によって、システム応答度を高めることができる。小型のハイブリッド焦平面アレイ(FPA)アセンブリを実現するために、増幅器アレイおよび読出しICにおいてシリコン貫通ビア(TSV)が使用されており、そのようなハイブリッド焦平面アレイ(FPA)アセンブリは、廉価に組み立てることができ、かつパッケージにおける寄生インダクタンスの低下に起因して、より高い電気的性能を有している。2つの新規の検出器技術も説明する。ヒ化インジウムガリウムのPIN検出器構造は、ヒ化ガリウム基板にわたり張られた変性層上に形成されており、これによって、直径6inまでの廉価なGaAsウェハの処理が実現される。第2の検出器構造は、ウェハレベルで廉価なシリコン基板に接合されているInGaAsのPIN構造を含んでいる。この技術によって、拡張された熱的性能が実現され、またはんだバンプ相互接続のための標準的なプロセスも実現される。レーザビームステアリングメカニズムの使用によって、LADARセンサは、逐次的な複数のステップで視野を照明することができ、これによってレーザビームに関するピーク出力要求が低減される。ビームステアリングメカニズムの使用によって、パルス半導体レーザの使用も実現され、それらのパルス半導体レーザは、固体レーザに比べて低い出力を有していることで知られている。LADARセンサが低出力パルス半導体レーザを使用でき、かつビームによって視野全体を逐次的に走査することができるレーザビームステアリングの設計を多数説明する。車載LADARシステムは、側面に取り付けられているか、後部に取り付けられているか、または前方に向けられている、本明細書に記載のタイプのLADARセンサを多数含むことができる。それらのLADARセンサを、中央LADARシステムコトローラに接続することができ、この中央LADARシステムコントローラは、独立した各LADARセンサからの利用可能なデータを統合して、車両周囲の360°全周における近接領域の合成3Dマップを形成する。1つの好適な実施の形態においては、慣例の2D静止画像またはビデオシーケンスを使用して、3D固体モデルおよびシーンマップの品質を改善することができる。

0012

車両の用途においては、LADARセンサをヘッドライトテールライト、または他の補助ランプアセンブリに組み込むことができる。LADARセンサは、後退灯バックミラーアセンブリの一部であってもよいし、バンパまたはグリルアセンブリにおける開口部の裏側に取り付けられてもよいし、フロントガラスの裏の高い位置に取り付けられてもよいし、ルーフサポートに取り付けられてもよいし、車両表面車体パネルにおける空所を介して取り付けられているモジュールアセンブリ内に取り付けられてもよい。LADARセンサには、一般的には、焦平面アレイおよび読出し集積回路から成るハイブリッドアセンブリが組み込まれており、また読出しICは、ユニットセル電気回路のアレイとして設けられており、各ユニットセルは、対応する焦平面アレイ(FPA)と同じ間隔および順序のアレイに適合されるように構成されている。1つの好適な実施形態におけるLADARセンサは、状況に応じて、上記において説明したようなフラッシュモードで動作することができるか、またはマルチパルスモードで動作することができるか、またはパルス連続波モードで動作することができる。LADARセンサが組み込まれているLADARシステムは、フル3Dオブジェクトモデリングおよびトラッキング、ならびに2Dデータベースおよび3Dデータベースのマージと、3D LADARセンサおよび慣例の2Dビデオカメラの管理から導き出されるシーンエンハンスメントを実現する多数の特徴を有することもできる。

0013

FPAの各感光性検出器は、レーザ光出力の反射された部分に由来する電気応答信号を形成する出力を有している。電気的な応答信号は、ユニットセル電気回路の相応のアレイを備えている読出し集積回路(ROIC)に供給される。各ユニットセル電気回路は、感光性検出器出力、電気応答信号増幅器および復調器、電気応答信号復調器の出力に接続されている距離測定回路、のうちの1つに接続されている入力を有している。復調器は、電圧サンプラおよび電気応答信号の連続的なサンプルを記憶するためのアナログシフトレジスタであってよいし、ミキサ積分器または整合フィルタを含んでいてもよい。サンプリングモードにおいては、各ユニットセルが、ターゲット表面から反射されたレーザ光の捕捉に応答してサンプルを取得するタイミングを制御するために基準クロックを使用する。各ピクセルからのディジタル化された一連のサンプルに基づいて動作する第1のディジタルプロセッサによって、読出し集積回路の外部で復調を行うこともできる。第1のディジタルプロセッサは、一連のアナログサンプル重み付けされた合計を利用するか、高速フーリエ変換、畳み込み、積分、微分、カーブフィッティング、または電気的な応答のディジタル化されたアナログサンプルについての他のディジタル処理を使用するアルゴリズムを用いることができる。第1のディジタルプロセッサは、他の対象物から道路を分離または区分けするか、対象物を相互に分離または区分けするアルゴリズムを用いることもできる。そのような対象物として、自動車、自転車オートバイトラック、人間、動物、壁、標識、道路障害物等が考えられる。それらのアルゴリズムは、位置および向きならびに対象物の速度を計算することができる。対象物の向き、位置および速度を、中央コンピュータに伝送し、さらなる処理および判定を行うことができる。各ユニットセル回路は、返ってきたLADARパルスの形状を保存し、反射された光パルスの形状に基づいて、焦平面アレイから所定の距離に投影されていると見なせるピクセル境界内の表面の形状を推論することができる。距離測定回路には、変調されたレーザ光出力に関するゼロ距離基準を提供する基準信号がさらに供給される。

0014

図1には、本発明のLADARセンサの適用分野において直面する問題のうちの1つを表す状況が示されている。この図において、車両2は、車両の前部におけるヘッドライトアセンブリに取り付けられている、ロングレンジLADARセンサ4を有している。関連する照明パターン6は、破線で示されているように、扇状である。照明パターン6は、横断歩道20における舗道に設けられている「キャットアイ」型のレトロリフレクタ12において反射され、それによって反射光線14が生じる。キャットアイレトロリフレクタはプリズム反射器であり、このプリズム反射器は光学設計の点においてコーナキューブに類似するものである。キャットアイレトロリフレクタは、光が弱い状況下および暗い状況下で、道路境界の優れたマーキングを提供するように設計されたものである。照明パターン6は、また、再帰反射性の一次停止標識16の表面においても反射され、それによって反射光線18が生じる。多くの一時停止標識では、例えば3MTMダイヤモンドグレードTM反射シートのような再帰反射性のフィルムが使用されており、この再帰反射性のフィルムは、交通整理および案内標識および案内装置にも使用されている。このフィルムは、反射性および耐久性が高く、またあらゆる光条件下およびあらゆる天候条件下での、標識可視性の広範な要求を満たすものである。その他の一時停止標識では、3MTMハイインテンシティグレードプリズム高輝度反射シートのようなプリズム型マイクロ構造を有している強化フィルムが使用されている。このシートは、種々の交通シナリオに関して高いレベルの再帰反射性を提供し、また長い期間にわたり優れた反射性および耐久性を有する。照明パターン10を有する、第2のロングレンジLADARセンサ8は、車両2の運転手側のヘッドライトアセンブリに取り付けられている。再帰反射光線14および再帰反射光線18は、非常に高強度の光信号を表し、LADARセンサ4の焦平面アレイの検出器を飽和させる可能性がある。高強度の再帰反射光線14および18は、LADARセンサ4の焦平面アレイにおいて光学的なクロストークを発生させる虞がある。

0015

図2には、本発明の利点が示されている。ここでは、運転手側のヘッドライトアセンブリに設けられているロングレンジLADARセンサ8の照明パターン10が、斜角でキャットアイレトロリフレクタ12を照明している。同乗者側のLADARセンサ4は、スイッチオフされているか、またはパルス間隔中に動作する。斜角の照明に起因するキャットアイレトロリフレクタ12からの反射22は、通常の拡散反射器表面における反射に類似し、図1に示したような同乗者側のロングレンジLADARセンサ4から直角に入射する光によって照明されたときのキャットアイプリズム型レトロリフレクタ12の低強度発散特性を有さない。ロングレンジLADARセンサ4の照明ビームに対して垂直に位置しているレトロリフレクタ12からの強い反射が存在するときであっても正確な距離測定を行うために、同乗者側のLADARセンサ4は、規則的な間隔で送信することができるパルス間に受信専用モードで動作する。協働運転者側のLADARセンサ8は、シーンおよびキャットアイレトロリフレクタ12を照明する。レトロリフレクタ12までの、または視野内の任意の対象物までの距離を正確に測定するために、同乗者側のLADARセンサは、運転手側のLADARセンサ8からの照明レーザパルスの伝送の指示を受信しなければならない。この指示を、2つの経路のうちの一方において送信することができる。一方の経路では、レーザフラッシュ信号が直接的に、運転手側のLADARセンサ8から双方向のコネクション24を介して到来する。双方向のコネクション24は、車両の設計に応じて、電気的なコネクションとしてもよいし、光ファイバコネクションとしてもよい。照明パルスの伝送を指示するための第2の経路は、中央LADARシステムコントローラ28から、双方向のコネクション26を介して延びている。双方向のコネクション24または26を介するレーザフラッシュ信号の伝送によって惹起される遅延に関してシステムが一度較正されれば、いずれのアプローチを使用しても同様の結果を得ることができる。同様に、運転手側のLADARセンサ8を、同乗者側のLADARセンサ4におけるレーザ送信器から到来するシーン照明レーザパルスを用いて、受信専用モードで動作させることができる。多数のショートレンジLADARセンサ32が、ウィンカ、テールライト、ブレーキライト等のための通常の車体パネルの空所内で、車両2のコーナーに取り付けられていることも示されている。また、ショートレンジLADARセンサを収容している同一のアセンブリ32に取り付ける形で、ウィンカ、テールライト、ブレーキライトのような自動車信号灯、および可視光または赤外線光2Dカメラ40が設けられていてもよい。ロングレンジLADARセンサ34が、ヘッドライトアセンブリ4,8において、可視光または赤外線光2Dカメラ40と空間を共有してもよい。

0016

図3は、LADARシステムコントローラ30の詳細およびホスト車両2のコオペレーティングシステムとの相互接続の詳細を示すブロック図である。LADARシステムコントローラ30は、ホスト車両に搭載されている種々のLADARセンサの状態を監視し、かつそれらのセンサ制御入力を供給しながら、それらのセンサによって捕捉されたすべての3Dデータを統合する中間機能である。車両の設計に応じて、LADARシステムコントローラ30を、ソフトウェアまたはハードウェアの一部として車両CPU48に組み込むことができる。LADARシステムコントローラ30は、ショートレンジLADARセンサSRU1〜4 32およびロングレンジLADARセンサLRU1〜2 34にコマンドを伝送する。ファイバケーブルおよびワイヤハーネス26は、LADARシステムコントローラ30から種々のLADARセンサにコマンドを伝達するための物理的な媒体を提供する。種々のLADARセンサからLADARシステムコントローラ30に、ファイバケーブルおよびワイヤハーネス26を介して、3Dデータおよび状態信号が返される。同様に、コマンド信号が複数(n個)の2Dカメラ40に送信され、2Dカメラからは、状態および画像データがワイヤハーネス26を介してLADARシステムコントローラ30に返される。2つのロングレンジセンサユニット34はいずれも、各ロングレンジセンサユニット34における送信器および受信器と、ファイバケーブルおよびワイヤハーネス26の物理的な媒体と、LADARシステムコントローラ30の送信器および受信器と、を論理的に含む一連の双方向のコネクションを介して接続されている。各ショートレンジセンサユニット32は、各ショートレンジセンサユニットにおける送信器および受信器と、ファイバケーブルおよびワイヤハーネス26の物理的な媒体と、LADARシステムコントローラ30の送信器および受信器と、を論理的に含む一連の双方向のコネクションを介して接続されている。設置形態に応じて、双方向のコネクション24を介して、LADARセンサ34間に直接的にコネクションを確立してもよい。LADARシステムコントローラ30は、D/A信号変換器およびA/D信号変換器を含んでおり、またLADARシステムコントローラ30を完全にまたは部分的に、読出し集積回路(図4を参照されたい)に設けてもよい。LADARシステムコントローラ30は、シーン処理能力を有することができ、このシーン処理能力によって、LADARシステムコントローラ30は、動作中の各LADARセンサから受信した3Dフレームを組み合わせて、車両2の目の前の空間および車両の周囲の空間を含む全体の空間の合成3Dマップを形成することができ、またその3Dマップと、複数(n個)の2Dスチルまたはビデオカメラ40から受信した2D画像データをマージすることによって、向上された解像度、色およびコントラストを提供することもできる。慣例の2Dスチルまたはビデオカメラ40を追加することによって、対象物の識別に関して向上された能力がシステムに提供される。LADARシステムコントローラ30は、LADARセンサから、レーザ温度、伝送されたレーザパルスの出力およびパルス形状、受信器温度、背景光レベル等を表す状態データを受信し、制御している種々のLADARセンサに対する包括的な入力パラメータの調整に関する判定を行う。検出器バイアストリガ感度捕捉モードフィルタ帯域幅等に関する包括的な設定を、LADARシステムコントローラ30から所定のLADARセンサに送信することができ、またその所定のLADARセンサは、そこに設けられているローカル制御プロセッサによって最初に設定または調整されたローカルセッティングを無効にすることができる。LADARシステムコントローラ30は、LADARシステムコントローラ30において実行されるプログラム格納場所を提供するために、内部に不揮発性メモリを有することもできる。この不揮発性メモリを、システムの起動時に有用な状態データおよび他のデータを記憶するために使用することもできる。双方向のコネクション42を介して、データおよび制御コマンドおよび状態信号を伝送するための通信ポートがLADARシステムコントローラ30に設けられている。通信ポートは、一般的にイーサネットポートまたはギガビットイーサネットポートであるが、CANバス、USB、IEEE1394、インフィニバンドまたは他のタイプのデータポートであってもよく、また双方向の通信を提供するために、車両電気系統および中央処理装置48に接続されている。コネクション42は、光学的なコネクション、電気的なコネクションまたはそれら2つの組合せであってよく、また双方向でのデータ信号の調整および伝送に必要な任意の送信器および受信器を含むことができる。変調されたレーザ光の反射から導出された3D距離データによって、初期対象物モデルを求めることができ、また一部の対象物識別では、車両2に搭載されている個々のLADARセンサのプロセッサにおいて初期対象物モデルを求めることができる。対象物モデルを、システムにおけるより高いレベルで洗練することができ、その際に種々のセンサからのデータを先行のフレームに由来するデータと統合することができる。過去のデータならびに現在のデータを調べるこの能力によって、何らかの交通災害および衝突の脅威を、車両2が前進する際の複数の角度から考察することができ、したがって複数の角度から観察することによって付加的な形状情報を取得しながら、一部の陰を除去することができる。

0017

個々のLADARセンサはそれぞれ、LADARシステムコントローラ30、車両CPU48および衝突プロセッサ44における処理負荷、例えば、点群の生成、および点群からの視野内の対象物および対象物速度の分離/区分けを低減するためにデータプロセッサを含むことができる。慣例の2D可視光または赤外線光ビューイングカメラ40は、LADARセンササブシステム内に設けられていてもよく、またLADARセンサを含むサブアセンブリの一部であってよい。複数(n個)の他の可視光2Dスチルまたはビデオカメラ56は、車両衝突プロセッサ44に直接的に接続されていてもよく、また車両に取り付けられている種々のLADARセンサによって生成された3Dデータを補完するシーンデータを生成することができる。2Dスチルまたはビデオカメラ56は、可視波長または赤外線の波長で動作することもできる。電気的な双方向のコネクション42は、3Dデータマップ、状態および制御信号を、LADARシステムコントローラ30と車両電気系統および中央処理装置(CPU)48との間で伝達するためにも使用される。車両のコアにおいては、電子脳が車両2のあらゆる機能を制御することができ、また一般的に他のすべてのサブシステムおよびコプロセッサを制御する。電子脳または中央処理装置(CPU48)は、ここでは、バッテリ、ヘッドライト、ワイヤハーネス等を含む、車両の基本電気系統に統合されている。車両サスペンションシステム46は、電気的な双方向のコネクションを介して、制御コマンドを受信して状態を返し、また各車輪最低地上高ばね定数、および減衰率を個別に変更することができる。慣性基準50は、CPU48への入力として重力センサまたは垂直基準も有している。グローバルポジショニングシステム基準54を、車両CPU48に接続することもできる。GPS基準54は、無線リンクを介して周期的に更新することができる、領域内のすべての利用可能な道路および条件のデータベースを有することもできる。二重無線リンク52をCPU48に接続することもでき、またこの二重無線リンク52は、衝突回避および交通の流れの円滑化を容易にするために、場所、速度、方向および車両固有の情報を共有する、近接領域内の他の車両と直接的に通信することができる。二重無線リンクは、ローカル位置基準、道路データ、天候条件、および車両2の運転にとって重要な他の情報を、中央道路条件データベースから、路側アンテナまたはセルラ局を介して受信することもできる。車両2は、無線リンク52を介して、車両状態および道路条件の更新を、中央道路条件データベースに提供することができ、それによって中央道路条件データベースは、LADARセンサおよび無線リンクを装備しているいずれかの車両によって増補することができる。また衝突プロセッサおよびエアバッグ制御ユニット44は、CPU48にも同様に双方向で接続されており、これによって、加速度計ブレーキセンサ車輪回転センサ、LADARセンサ等の多数のセンサからの入力を受信する。ACU44は、エアバッグおよび他の拘束手段のタイミングおよび展開についての判定を行う。システムが名目上搭載されており、また自動車であることが多い車両2に統合されたものとして図3のシステムは示されているが、このシステム、上述のコンポーネントおよびサブシステムはいずれも、任意の数の移動する車両または固定のプラットフォームに搭載されるように設計されている。

0018

図4は、好適な実施の形態に特有の、ロングレンジLADARセンサ34およびショートレンジLADARセンサ32の両方を表すLADARセンサのブロック図である。ここで説明する主要な改良点には、ビームステアリングメカニズム70、光学利得ブロック76、電子増幅器アレイ80、ならびに新規の検出器および焦平面アレイ(FPA)パッケージングオプションの追加が含まれる。第1の実施の形態は、128×128個または128×64個の光検出素子から成る検出器アレイ78を提供し、この検出器アレイ78は、ハイブリッド組立て法を用いて、読出し集積回路82の上に積載されている。この設計の別の実施の形態においては、M×N個(ただし、MおよびNは、それぞれ2〜1,024以上の数である)の光検出素子から成る焦平面アレイが考えられる。図4に示した機能素子を、先ず、一般的なロングレンジLADARセンサ34の構成要素に関して説明する。制御プロセッサ58は、LADARセンサ34の主要なコンポーネントの機能を制御する。制御プロセッサ58は、(インタフェースロジックアナログ/ディジタル(A/D)変換器およびディジタル/アナログ(D/A)変換器66を含む)電気的な双方向のコネクションを介して、パルスレーザ送信器68に接続されており、この双方向のコネクションは、制御プロセッサ58からパルスレーザ送信器68にコマンドを伝達し、またパルスレーザ送信器68から制御プロセッサ58に監視信号を返す。アナログ/ディジタル(A/D)変換器およびディジタル/アナログ(D/A)変換器66を含むインタフェースロジックを、完全にまたは部分的に集積回路に設けることができる。感光ダイオード検出器フラッシュ検出器)67は、パルスレーザ送信器68によって形成されたレーザ光パルスの一部を捕捉するために、レーザのバックファセットに配置されている。パルスレーザ送信器68のフロントファセットから光サンプラによって取得された出発レーザパルスの光サンプルは、一般的に光ファイバケーブルを介して、自動距離補正(ARC:Automatic Range Correction)として、検出器アレイ78のコーナーに送られる。パルスレーザ送信器68は、固体レーザ、モノブロックレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ、または半導体レーザのアレイであってよい。データレートを高めるために、個別のレーザを2つ以上使用することもできる。1つの好適な実施の形態においては、パルスレーザ送信器68が、垂直キャビティ表面放射型レーザ(VCSEL)のアレイである。代替的な実施の形態においては、パルスレーザ送信器68が、976nmの半導体レーザ光によってポンピングされる、エルビウムドープ型リン酸ガラスディスク状固体レーザである。

0019

動作時に、制御プロセッサ58は、ロジックコマンドまたは変調信号をパルスレーザ送信器68に送信することによってレーザ照明パルスを始動させ、パルスレーザ送信器68は、ビームステアリングメカニズム70および伝送光学系72を介する光強度の突発波としてのレーザ光の伝送によって応答する。エルビウムガラスネオジウムYAGまたは他の固体利得媒体を基礎とするQスイッチ型の固体レーザの場合には、単純な2値ロジックコマンドによって、一定時間にわたる利得媒体へのポンプレーザダイオード放射を開始させることができ、これによって最終的にはパルスレーザ送信器68の1回のフラッシュが生じる。電気的にポンピングされ、かつレーザダイオード注入される電流信号の変調によって即座に変調することができる半導体レーザの場合には、より一般的な性質の変調信号が実現され、またその変調信号を主要な有益効果と共に使用することができる。変調信号は、平頂の矩形波パルスまたは台形波パルス、またはガウス状のパルス、またはパルスシーケンスであってよい。変調信号は、正弦波ゲーテッド正弦波またはパルス状正弦波、チャープ正弦波、または周波数変調された正弦波、または振幅変調された正弦波、またはパルス幅変調された一連のパルスであってもよい。変調信号は、一般的には、代表的なアナログ値が記載されているディジタルメモリルックアップテーブルとして、メモリ64に記憶されており、このルックアップテーブルが、制御プロセッサ58によって順次読み出されて、搭載されているディジタル/アナログ(D/A)変換器66によってアナログ値に変換されて、パルスレーザ送信器68のドライバ回路へと供給される。メモリ64に記憶されているルックアップテーブルが、必要とされるロジック回路クロック、および制御プロセッサ58に設けられているタイマ62と共に、D/A変換器と組み合わされたものは、任意波形発生器AWG:Arbitrary Waveform Generator)回路ブロックも含んでいる。択一的に、AWG回路ブロックを、パルスレーザ送信器68の一部としてのレーザドライバ内に設けることもできる。伝送光学系72は、パルスレーザ送信器68によって形成された光輝度スポットを、LADARセンサ34によって撮像されるべき所望の視野にわたり実質的に均一に拡散させる。伝送されたレーザパルスの光学サンプル(ARC信号と称する)は、光ファイバを介して、検出器アレイ78にも送信される。検出器アレイ78のコーナーにある幾つかのピクセルは、読出し集積回路(ROIC)82におけるタイミング回路のためのゼロ時間基準を確立するARC(自動距離補正)信号によって照明される。読出し集積回路82の各ユニットセルは、関連付けられたタイミング回路を有しており、このタイミング回路は、ARC信号から導出された電気パルスによって計数を開始する。択一的に、フラッシュ検出器67の信号を、第2のタイミングモードにおけるゼロ基準として使用することができる。ARC信号は、検出器アレイ78による伝送時間に関連付けられたある程度の可変の遅延を適切に取り除くが、その結果、付加的なコストおよび複雑性が生じる。画像フレームがディジタルで表現される場合、同一のタスクを、場合によっては設けられているプロセッサ、例えばデータ分類プロセッサ86によって、ソフトウェア/ファームウェアで処理することができる。伝送されたパルスの一部がLADARセンサ34の視野内のシーンにおける特徴部によって反射されると、反射されたパルスは受信光学系74に入射することができ、この受信光学系74は一般的に、ヘッドランプアセンブリのレンズおよびマイクロレンズ面検出器アレイ78のアレイを含んでいる。代替的な実施の形態は、マイクロレンズの使用を必要としない拡張型検出器を使用する。受信光学系74の別の代替的な実施の形態は、到来する光を収集して、検出器アレイ78の個々の素子に誘導するために、回折アレイを使用する。受信光学系74の視野内のシーンにおける特徴部によって反射されたパルスレーザ光は、検出器アレイ78の個々の検出素子に焦点合わせされる。この反射されたレーザ光信号は、続けて、影響を受けた検出素子によって検出されて、電流パルスに変換され、この電流パルスが、続いて光増幅器アレイ80の関連付けられたピクセル増幅回路、および読出し集積回路82のユニットセル電気回路、および測定された飛行時間によって増幅される。したがって、視野内のシーンにおける反射性の各特徴部までの距離を、LADARセンサ34によって測定することができる。検出器アレイ78、増幅器アレイ80および読出し集積回路82は、M×NまたはN×Mの大きさのアレイであってよい。制御プロセッサ58は、ビームステアリングメカニズム70を制御して、図1に示したように、パルスレーザ送信器68の出力ビームを、車両2の前方の経路におけるシーンの選択された部分に偏向させる。

0020

図4の参照を続けると、受信光学系74は、凸レンズ球面レンズシリンドリカルレンズまたは回折格子アレイであってよい。システムの較正または検出器アレイ78の保護のために、制御プロセッサ58によって、オプションとしての機械式シャッタを使用することができる。この能力は、図9と関連させて詳細に説明する。受信光学系74は、シーンから反射された光を収集し、その収集された光を検出器アレイ78に焦点合わせする。1つの好適な実施の形態においては、検出器アレイ78が、リン化インジウム半導体基板の上にエピタキシャル堆積されたヒ化ガリウムの薄膜に形成されている。典型的には、検出器アレイ78は、光に晒されるカソードコンタクトのセットおよびアノードコンタクトのセットを有しており、それらのコンタクトは、検出器アレイ78に堆積された複数のインジウムバンプを介して支持増幅器アレイ80および読出し集積回路82に接続されている。検出器アレイ78の個々の検出器のカソードコンタクトは、アレイの照明される側の検出器バイアス電圧グリッドに接続されている。したがって、検出器アレイ78の検出素子の各アノードコンタクトは、オプションとしての増幅器アレイ80のピクセル増幅器の入力に個別に接続されているか、または読出し集積回路82のユニットセル電子回路に直接的に接続されている。検出器アレイ78および読出し集積回路82のこの従来のハイブリッドアセンブリを依然として使用することができるが、新規の技術では、素子間結合またはクロストークを低減することができ、また漏れ電流暗電流)を低減することができ、さらに検出器アレイ78の個々の検出素子の効率を改善することができる。ここでは他の検出器アレイの構造が開発されており、その構造は図11,15および16と関連させて説明する。読出し集積回路82は、ユニットセル電気回路の矩形のアレイを含んでいる。各ユニットセルは、検出器アレイ78の光電検出素子から受信した低レベル光電流を増幅することができ、また増幅器出力サンプリングすることができる。ユニットセルは、一般的には、シーンによって反射された光パルスに関連付けられており、かつ検出器アレイ78の検出素子によって捕捉された、ピクセル増幅器出力における電気パルスの存在を検出することができる。検出器アレイ78は、アバランシェフォトダイオードのアレイであってよく、光電増幅能力を有しており、また設計波長にある入射光信号によって変調することができる。検出器アレイ78の素子は、優勢キャリアがそれぞれ正孔または電子である、P−intrinsic−N(PIN)フォトダイオードまたはN−intrinsic−P(NIP)フォトダイオードであってもよい。NIP検出器構造の場合には、対応するROIC82は、バイアス電圧の極性および相応に調整された増幅器入力を有することになる。前述の好適な実施の形態の検出器アレイ78および読出し集積回路82のハイブリッドアセンブリは、図11から図17に示されており、またそこではアセンブリが支持回路アセンブリに、一般的にはFR−4基板またはセラミック基板に取り付けられている。回路アセンブリは、一般的には、調整された電力基準クロック信号較正定数、および行列を読み出すための選択入力を供給する支持回路、とりわけサポート機能を提供し、その一方で、検出器アレイ78の個々の素子のための読出し集積回路82からの距離および強度出力を受信および記録する。それらのサポート機能の多くを、同一の回路基板に設けられている、収縮命令セットコンピュータRISC:Reduced Instruction Set Computer)で実現することができる。検出器バイアス変換回路96は、時変性の検出器バイアスを検出器アレイ78に適用し、この検出器アレイ78は、検出器アレイ78の近接視野における飽和の危険を低減することに最も適した検出器バイアスレベルを提供しながら、検出器アレイ78の視野内の遠位の対象物の検出に関する可能性を最大化する。検出器バイアス変換器96から供給される時変性の検出器バイアスの輪郭は、検出器アレイ78の視野内のシーンにおける対象物または地点反射率および距離を表す、データ分類プロセッサ86からのフィードバックに基づいて、制御プロセッサ58によって定式化される。また制御プロセッサ58は、種々のクロックおよびタイミング信号をタイミングコア62から読出し集積回路82、データ分類プロセッサ86、アナログ/ディジタル変換器84、対象物トラッキングプロセッサ98、およびそれらに関連付けられたメモリに供給する。制御プロセッサ58は、温度安定化または温度補償された周波数基準94に依存して、種々のクロックおよびタイミング信号を生成する。温度安定化された周波数基準94は、温度補償水晶発振器(TCXO)、誘電体共振器発振器(DRO)、または弾性表面波SAW)装置であってよい。制御プロセッサ58に設けられているタイミングコア62は、高周波数調整可能発振器、プログラミング可能なプリスケーラ分周器位相比較器、および誤差増幅器を含むことができる。

0021

図4の参照を続けると、制御プロセッサ58、データ分類プロセッサ86および対象物トラッキングプロセッサ98はそれぞれ、プログラム、データ、定数演算結果および計算結果を記憶するための、関連付けられたメモリを有している。付随するディジタルプロセッサにそれぞれ関連付けられているそれらのメモリには、ROM、EPROM、またはフラッシュメモリのような他の不揮発性メモリが含まれると考えられる。それらのメモリには、SRAMまたはDRAMのような揮発性メモリが含まれていてもよく、また揮発性メモリおよび不揮発性メモリの両方を各プロセッサにそれぞれ集積することもできる。共通のフレームメモリ88は、それぞれが単一のレーザパルスから得られた画像である、複数のフレームを保持するために使用される。データ分類プロセッサ86および対象物トラッキングプロセッサ98のいずれも、より高次のレベルのプロセッサ、例えばLADARシステムコントローラ30に通常は関連付けられているシーン処理ユニットにおける負荷を低減するために、3D画像処理を実行することができる。データ収集には2つのモードが存在する。第1のモードはSULARであるか、または深さ方向のプログレッシブスキャンである。各レーザパルスによって、一般的には、CATスキャンと同様に、データの20個の「スライス」が生じ、各「スライス」を、単一のページとして、共通のフレームメモリ88に記憶することができる。各ピクセルサンプリングが2nsの間隔で行われる場合、各「スライス」は、深さ方向において大凡フィートの差にある画像空間の層である。20個のスライスは、データの1フレームを表し、また連続するレーザパルスのサンプリングを、深さ方向においてさらに20フィート進んだ位置で開始することができ、その結果、1,000フィートの距離または深さまでの画像空間全体を、連続する50個のレーザ照明パルスで掃引することができ、各レーザパルス応答は、単一のフレームエントリに保持されるデータの20個の「スライス」から成る。必要に応じて、フレームメモリは、データの50個すべてのフレームを保持するには十分な大きさであってよい。記憶されるスライスの数は、トリガモード動作が要求されることなく、関連する任意の距離をマッピングするには十分であると考えられる。水中の所定の深さにある面、または樹木で覆われた森、または任意の静的な風景をマッピングするためにデータが取得される場合のように、データの分類を外部のコンピュータにおいて行うことも考えられ、そこでは、ソフトウェアでの洗練された事後処理技術によって、より優れた精度または解像度を得ることができる。第2のデータ取得モードは、TRIGGERモードであり、このモードでは、個々のピクセルそれぞれがパルス応答を探し、閾値判定基準合致している所定のパルスに基づいて、パルス到着時間をまとめた20個のアナログサンプルが、ピクセルアナログメモリに保持され、また動作中のディジタルカウンタが、名目上の距離測定でもって停止される。20個のアナログサンプルは、本願の設計の128×128個のピクセルのインタリーブされた列または行の値を表す、読出し集積回路82の「A」出力および「B」出力を介して、各ピクセルから出力される。「A」出力および「B」出力は、アナログ出力であり、またそこに存在するアナログサンプルは、デュアルチャネルアナログ/ディジタル(A/D)変換器84によってディジタル値に変換される。出力をインタリーブするということは、出力のうちの一方の出力(「A」)が、読出しIC82の奇数行を読出し、他方の出力(「B」)が、読出しIC82の偶数行を読み出すことを意味する。より大きい検出器アレイ78および読出しIC路82は、2つより多くの数のアナログ出力を有することができる。A/D変換器84のディジタル出力は、データ分類プロセッサ86の入力に接続されている。A/D変換器84を、読出し集積回路82に集積することもできる。ディジタル出力は、一般的には、読出しIC82の各ピクセルにおいて測定された未修正のアナログサンプルの、10ビットまたは12ビットのディジタル表現であるが、しかしながら用途に応じて、より大きいまたはより小さいビットでの他の表現を使用することができる。ディジタル出力のレートは、フレームレートおよびアレイにおけるピクセルの数に依存する。TRIGGERモードにおいては、既に大量のデータ分類が行われている。何故ならば、全体の距離または深さ空間を、単一のレーザパルスの時間フレーム内で掃引することができ、またデータ分類プロセッサ86は、アレイの各ピクセル(ユニットセル)から受信した名目上の距離測定を精錬するために、各ユニットセルに記憶されている20個のアナログサンプルのみに基づいて動作するからである。データ分類プロセッサ86は、基準ARCパルス信号によって保存されている、出力レーザ照明パルスの形状へのアナログサンプルのカーブフィッティングによって、各ピクセルから受信した名目上の距離測定を精錬する。それらのパルスは、一般的にガウス状であるが、しかしながら、矩形状、台形状、半正矢関数状、正弦関数状等であってよく、またフィッティングアルゴリズムは、フーリエ解析最小二乗解析、または多項式へのフィッティング、指数関数等を使用することができる。距離測定を、十分公知の基準パルス特性形状へのカーブフィッティングによって精錬することができる。TRIGGER取得モードにおいては、フレームメモリ88は、照明レーザパルス毎の「点群」画像を保持することだけが必要になる。用語「点群」は、本願の設計の128×128個の各ピクセルから成るアレイによって検出されるような、反射光パルスの距離および強度によって生成された画像を表す。TRIGGERモードにおいては、データ分類プロセッサ86が主として、データバス87を介するフレームメモリ88への距離および強度(R&I)データの供給に先行して、各ピクセルによって行われたR&I測定を精錬するために使用され、「スライス」データまたはアナログサンプルが、この取得モードにおけるR&I「点群」データから独立して、メモリに保持されることはない。フレームメモリ88は、個々のまたは複数のフレーム、もしくは完全な点群画像を、データバス90を介して制御プロセッサ58に供給し、また必要に応じてデータバス89を介して、オプションとしての対象物トラッキングプロセッサ98に供給する。

0022

さらに図4に示されているように、データ分類プロセッサ86および制御プロセッサ58は同一のタイプであってよく、収縮命令セット(RISC)ディジタルプロセッサは、ハードウェアで実施されている整数算術ユニットおよび浮動小数点算術ユニットを備えている。対象物トラッキングプロセッサ98は、RISCプロセッサ86および制御プロセッサ58と同一のタイプであってもよいが、しかしながら、場合によっては、高度で複雑なグラフィック処理に適した、より高い性能を備えているプロセッサであってもよい。対象物トラッキングプロセッサ98は、ハードウェアで実施されている整数算術ユニットおよび浮動小数点算術ユニットに加えて、ハードウェアで実施されている複数のマトリクス算術機能も有することができ、このマトリクス算術機能には、マトリクス行列式行列乗算逆行列が含まれるが、これらに限定されるものでもない。動作時に、制御プロセッサ58は、増幅器アレイ80、読出し集積回路82、A/D変換器84、フレームメモリ88、データ分類プロセッサ86および対象物トラッキングプロセッサ98を、双方向の制御バス92を介して制御し、この双方向の制御バス92によって、マスタである制御プロセッサ58は、コマンドを優先順位ベースで、独立した周辺機能に、すなわち増幅器アレイ80、読出しIC82、A/D変換器84、フレームメモリ88、データ分類プロセッサ86および対象物トラッキングプロセッサ98に供給することができる。双方向の制御バス92は、増幅器アレイ80、読出しIC82、A/D変換器84、フレームメモリ88、データ分類プロセッサ86および対象物トラッキングプロセッサ98からの状態データおよびプロセスパラメータデータを制御プロセッサ58に返すためにも使用される。データ分類プロセッサ86は、名目上の距離データを精錬し、A/D変換器84から受信した、ディジタル化されたアナログサンプルから展開された各ピクセル強度データを調整し、完全な画像フレームを、単方向のデータバス87を介してフレームメモリ88に出力し、このフレームメモリ88は、用途に応じて、数フレームから数千フレームまでを保持することができるデュアルポートメモリである。対象物トラッキングプロセッサ98は、画像データの多数のフレームを保持するには十分な容量を備えている内部メモリを有しており、これによって、ビデオ圧縮シングルフレームまたはマルチフレームの解像度の向上、統計的な処理ならびに対象物識別およびトラッキングを含む、マルチフレーム合成プロセスが実現される。対象物トラッキングプロセッサ98の出力は、単方向のデータバス99を介して、制御プロセッサ58に設けることができる通信ポート60に伝送される。すべてのスライスデータ、距離および強度データの伝送、制御および通信は、双方向のコネクション26を介して、通信ポート60と、中央のLADARシステムコントローラ30(図3を参照されたい)と、の間で行われる。電力コネクションおよびグラウンドコネクション(図示せず)を、電気機械式インタフェースを介して提供することができる。双方向のコネクション26は、電気的または光学的な伝送線であってよく、電気機械式のインタフェースは、DB−25の電気的なコネクタ、またはハイブリッド型の光学的かつ電気的なコネクタ、またはLADARセンサ34に関して双方向に信号を伝送するように構成されている、特別な自動車用コネクタであってよい。双方向のコネクション26は、また、ショートレンジLADARセンサ32を有することができる補助ランプアセンブリの場合には、LADARシステムコントローラ30に接続されてもよい。双方向のコネクション26は、例えばイーサネットユニバーサルシリアルバス(USB)またはファイバチャネルのような高速シリアルコネクションであってもよいし、インフィニバンド等のような高速パラレルコネクションであってもよいし、高速シリアルコネクションおよび高速パラレルコネクションの組合せであってもよいが、これらに限定されるものではない。双方向のコネクション26は、データ分類プロセッサ86、対象物トラッキングプロセッサ98に対するプログラム更新、およびグローバルポジション基準データ、ならびにLADARセンサ34の残りの機能ブロックのための用途固有制御パラメータを含む情報を制御プロセッサ58にアップロードするためにも使用される。また慣性および垂直基準50(図3を参照されたい)は、必要に応じて、ホスト車両2から車両電気系統およびCPU48ならびにLADARシステムコントローラ30を介して、ショートレンジLADARセンサ32およびロングレンジLADARセンサ34にデータを供給する。同様に、LADARセンサ34にとって有用であると考えられる、ホスト車両2からの他の任意のデータを、慣性および垂直基準のデータと同じやり方で提供することができる。慣性および垂直基準のデータを、外部位置基準に加えて、制御プロセッサ58によって使用することができ、この制御プロセッサ58は、位置基準データおよび慣性基準データを、距離および強度データの調整のためにデータ分類プロセッサ86に供給することができ、またマルチフレームデータ合成プロセスにおいて使用するために対象物トラッキングプロセッサ98に供給することができる。垂直基準は、一般的には、ピッチおよびロールの測定に供され、また仰角を読み出すために、および重力に対して垂直な水平な面に関する捻れ角度(ロールに類似)を読み出すために適合されている。ショートレンジLADARセンサ32は、一般的には、半導体レーザを使用し、この半導体レーザを種々のやり方で変調することができる。ロングレンジLADARセンサ34は、一般的には、Qスイッチ型の固体レーザを使用し、この固体レーザは、ガウス状のプロフィールを有する単一の出力パルスを生成する。このタイプの固体レーザのパルス形状の変調は容易ではなく、したがってロングレンジLADARセンサ34の受信セクションによって、「そのまま」処理されなければならない。一般的には、テールライト、ウィンカまたはパーキングライトのような補助ランプアセンブリに設けられているタイプのショートレンジLADARセンサ32の動作は、幾つかの例外を除いて、ロングレンジLADARセンサ34の動作と同一である。ロングレンジLADARセンサ34およびショートレンジLADARセンサ32は、使用されるレーザのタイプおよびレーザ変調のタイプのみが異なっていると考えられる。伝送光学系72および受信光学系74も、ロングレンジLADARセンサ34に関するより狭い角度の視野によって異なると考えられる。ロングレンジLADARセンサ34とショートレンジLADARセンサ32との、伝送されるレーザパルスの変調の差異を、読出しIC82のサンプリングモードのフレキシブルな性質およびデータ分類プロセッサ86のプログラミングによって適応させることができる。ホスト車両2は、一般的にUSB、イーサネット、RJ−45または他のインタフェースコネクションに由来する組合せコネクタプラグ受容することができるコネクタレセプタクルを複数有することができ、また代替的に、この組合せコネクタプラグを、本明細書において説明したタイプの、ロングレンジLADARセンサ34またはショートレンジLADARセンサ32を取り付けるために使用することができる。

0023

図4の参照を続ける。これは、ショートレンジLADARセンサ32のヴァリエーションの検討にとって有用である。ショートレンジLADARセンサ32では、著しく低い電力しか要求されないので、それによって、半導体レーザおよびマルチパルス変調スキームを使用することができる。半導体レーザの1つの例は、垂直キャビティ表面放射型レーザ(VCSEL)であり、多くの優先的な特徴を有していることから好適な実施の形態において使用される。VCSELは、一般的には、円形ビームプロフィールを有しており、また絞りにおいてより低いピーク出力密度を有している。またVCSELでは、より少ない二次的機械作業、例えばクリービングポリッシング等しか要求されず、アレイに非常に容易に形成することができる。僅かな偏差しか伴わないガウス状の光パルス形状を生成するために、半導体レーザの使用によって、駆動電流パルスを調整することができる。VCSEL応答時間は、サブnsの範囲にあり、また典型的な光パルス幅は、電力半値点において5〜100nsであってよい。図4において、VCSELおよびレーザドライバは、パルスレーザ送信器68の一部であってよく、また所望のパルスまたは波形自体が、200〜300MHzの典型的な変換率を有しているディジタル/アナログ変換器66によって形成され、それによって、出力パルス形状における、理想的なガウス形状からの何らかの偏差を、制御プロセッサ58に関連付けられているメモリ64におけるルックアップテーブルにおいて補償することができ、このルックアップテーブルは、D/A変換器によってパルスレーザ送信器68内のレーザドライバに供給される駆動電流波形のディジタル基準として使用される。ガウス状の単一パルスの変調スキームは、VCSELから利用可能な光出力が制限されているショートレンジにおいて十分に機能する。VCSEL送信器のレンジは、より洗練された変調スキーム、例えばマルチパルスシーケンス、正弦波バースト等を使用して拡張することができる。ショートレンジLADARセンサ32を参照しながらここで説明したようなVCSELおよび変調スキームは、ロングレンジLADARセンサ34のパルスレーザ送信器68において一般的に使用されている固体レーザに代わるものである。パルスレーザ送信器68におけるVCSELアレイの使用は、コスト、サイズ、消費電力を低減する、かつ/または信頼性を向上させる可能性を有している。LADARセンサを、車両2の多数の場所に、すなわちヘッドランプ、補助ランプ、ドアパネルバックミラー、バンパ等に取り付けることができる。イメージ管FPAのような、より感度の高い検出器アレイ78が設けられている場合には、ここで説明したタイプのLADARセンサは、照明源としてVCSELアレイを使用することができ、またより長い距離をサポートすることができる。図4のLADARセンサの主要な機能を参照する際、視野内のシーンを照明するために急激に放出される光をサポートし、かつ/または生成するそれらの機能として「光送信器」を参照することが便利な場合もある。それらの構成要素は、一般的には、プロセスを開始する制御プロセッサ58、パルスレーザ送信器68、ビームステアリングメカニズム70および伝送光学系72であってよい。「光受信器」という用語を、視野内のシーンから反射された光を収集し、受信した光をフィルタリングし、受信した光をピクセル化された複数の電気信号に変換し、それらのピクセル化された電気信号を増幅し、その信号におけるパルスまたは変調を検出し、距離測定を実行し、また受信したデータの洗練または分類を行うために必要とされるそれらの構成要素を参照するために使用することができる。それらの機能は、受信光学系74、光学利得ブロック76、検出器アレイ78、増幅器アレイ80、読出しIC82、A/D変換器84およびデータ分類プロセッサ86を含んでいてよい。

0024

図5に示したユニットセル電子装置は、ガウス状の単一パルスの変調スキームを用いて動作することに良く適しており、また有利には、平頂の形状、ガウス状の形状または他の形状の一連のパルスを含む他の変調スキームを用いても動作する。それらのパルスは、距離の曖昧性を低減するために可変の幅および間隔を有することができ、またランダムパルスシーケンスであってよいか、またはその他のケースでは、バーカー符号化されたパルスシーケンスであってよい。単一のガウス状の出力パルスを形成する半導体レーザを備えているショートレンジLADARセンサ32の一般的な動作時には、ショートレンジLADARセンサ32の視野内の表面から反射されたパルスレーザ光の一部が集中されて、受信光学系74によって焦点合わせされ、光学利得ブロック76を通過して、検出器アレイ78の個々の検出素子100に入射する。個々の素子100は、一般的には、アバランシェフォトダイオードであるが、PINまたはNIPであってもよいし、または他の構造であってもよい。検出器アレイ78の個々の素子100はそれぞれ、シリコン、ヒ化インジウムガリウム、リン化インジウムガリウムヒ素ヒ化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、または動作の波長に適した他の半導体化合物から成る半導体膜に形成されている。個々の素子100にはそれぞれ、バイアス電圧分配網VDET102によってバイアス電圧が掛けられている。個々の検出素子100に入射した反射光信号は、電子信号に変換され、一般的には光電流に変換され、また入力増幅器104によって、一般的にはトランスインピーダンスアンプによって増幅される。入力増幅器104の出力は、トリガ回路106ならびに多数のアナログサンプリングゲート108に分配される。各アナログサンプリングゲート108は、アナログメモリセル120に接続されている出力を有している。トリガ回路106は、一般的に閾値電圧比較器であり、所定の振幅を上回るパルスが受信されたときにトリガをセットするが、他のパルス検出スキームを使用することもできる。プログラミング可能な遅延が遅延回路110を介して行われた後に、ユニットセルがTRIGGERモードにおいて動作している場合には、循環セレクタ(circular selector)112の状態が、トリガ回路106の出力のロジック遷移によって停止される。トリガ回路106によって受信されたパルスの検出に先行して、サンプルクロック114によって、循環セレクタ112の状態が進められ、それによってサンプリング制御出力S1〜S3のうちの1つをイネーブルすることができ、このイネーブルされた信号自体が、サンプリングゲート108のうちの1つによる、入力増幅器104の出力のサンプリングを惹起する。循環セレクタ112は、アクティブローリセット線118の解放後に、サンプリングクロックの周期毎にロジック遷移をカウンタ116に出力するので、サンプルクロック114の遷移の回数がカウンタ116によって計数される。循環セレクタ112は、プログラミングに応じて、出力S1〜S3の順に循環することができるか、または異なる順序を有することができる。第2の循環セレクタ112およびサンプルクロック114は、カウンタ116、アナログサンプリングゲート108およびアナログメモリセル120と共に、並列に動作することができる。サンプルクロック114、カウンタ116、循環セレクタ112、サンプリングゲート108およびメモリセル120の組合せを、ユニットセルサンプリング構造122と称することができ、ここでは破線で画定されることによって示唆されている。2つ、3つまたはそれ以上の数のそれらのサンプリング構造122を、距離の曖昧性に関して後述するそのような構造の利点を伴って、入力増幅器104の出力において並列に動作させることができる。図5においては、3つのサンプリングゲート108および3つのアナログメモリセル120が示されているが、この数は、読出しIC82によっては数百以上になる場合もある。すべてのアナログサンプルデータが取得されると、制御プロセッサ58からの制御コマンドによって出力制御部124および出力増幅器126が起動されて、読出しサイクルが開始され、事前に定められた順序でのアナログメモリセル120の内容の読出しが行われる。

0025

5kW/cm2の電力密度を有する1cm2のVCSELアレイを前提とし、また視野内の対象物の反射率、検出器アレイ78の応答性および過剰雑音に依存する、典型的なショートレンジLADARセンサ32においては、ガウス状の単一パルスの変調スキームの有効範囲は、単純な閾値検出技術を使用すれば、10m〜20mの範囲になると考えられる。高価になると考えられ、また大きい電流パルスを供給するために大きい放電コンデンサが必要になると考えられる、大きいVCSELアレイに頼らずに、より洗練された変調技術および検出技術を使用して、付加的な処理利得を生じさせることができ、また信号対雑音比を効果的に高めることができ、したがってピーク出力の増加を要することなく、ショートレンジLADARセンサ32のレンジを拡張することができる。ガウス状の単一パルスの変調が行われる第1の変調スキームにおいては、各ユニットセル電気回路からのディジタル化されたアナログサンプルを使用し、それらのサンプルをディジタル整合フィルタにおいて処理して、受信したパルスの重心を発見し、それによって顕著な処理利得を得る検出技術を使用することができる。この構造により得られる処理利得は、フィルタリングアルゴリズムにおいて使用されるサンプルの数の平方根に比例する。例えば、256個のアナログメモリセル120を備えているユニットセル電気回路は、利用可能なすべてのアナログサンプルが整合フィルタアルゴリズムにおいて使用されていた場合は、ガウス状の単一パルスの変調および通常のノイズ分布を想定すると、16の処理利得をもたらすことができると考えられる。ここで、「処理利得」という用語は、電圧サンプルに基づいて上述の動作を実行することによって実現される効果的な信号対雑音比(SNR)の上昇を表すために使用される。パルスレーザ光が受信光学系74の視野だけにわたり均一に分散される場合には、LADARの有効レンジも、伝送出力(またはSNR)の平方根として上昇し、また40m〜80mまでのレンジの拡張をもたらすことができる。単一パルスのガウス状の変調は、単純なドライバを備えている固体レーザまたは半導体レーザのいずれかの特徴を表すことができ、したがってロングレンジLADARセンサ34またはショートレンジLADARセンサ32のいずれかの属性を表すことができる。

0026

図5のユニットセル電子回路は、単一パルスの変調に良好に適合されているか、またはより複雑な変調シナリオに良好に適合されている。第2の変調スキームにおいては、バーカー符号化された、平頂な形状またはガウス状の一連のパルスを用いて変調されたVCSELアレイを、図5のユニットセル電子回路によってサンプリングして、距離および強度の評価のためにデータ分類プロセッサ86によって解析することができる。第3の変調スキームにおいては、パルス正弦波によって変調されたVCSELアレイが、ピーク出力の増加を要することなく、ショートレンジLADARセンサ32またはロングレンジLADARセンサ34のいずれかの視野内のシーンにおける特徴部から反射されるべきより大きい蓄積エネルギを実現することができる。パルス正弦波の各ピークは、LADARセンサ52の視野内のシーンにおける対象物または特徴部からの別個の反射を有することになり、また図5のユニットセル電気回路によって、LADARセンサ受信器は、最小限の回路構成を使用して、それらの多数の反射されたパルスに由来する蓄積エネルギに応答することができる。1つの好適な実施の形態における波形は、多数の正弦波サイクルであり、そのサイクルの数は多数の要因に応じて、非常に大きくなると考えられる。図5に示したユニットセル電子回路の受信器回路構成は、返されたパルスピークの蓄積エネルギをサンプリングすることができるか、または同期検出することができる。2つのサンプリングモードを、図5に示したユニットセルサンプリング構造によってサポートすることができる。到来する波形を連続的に取得することによって、到来する波形の、単一のパルスまたは複数のパルスから成るパルスシーケンスのアナログサンプルが連続的に取得されると、循環セレクタ112へのサンプリングインピーダンス制御値128(Z)は最小値にセットされる。サンプルクロック114のサンプリング周波数は、各パルス幅の間に10個または20個のアナログサンプルが形成されるように選択される。サンプリングインピーダンス制御値128が最小値にセットされると、サンプル制御S1,S2,S3は、サンプリングサイクルの間に完全な電圧でターンオンされる。各サンプリングゲート108は、電界効果トランジスタであるので、サンプリング制御電圧S1〜S3の上昇によって、サンプリングFETにおけるゲートソース電圧も上昇し、したがってソースドレインとの間のチャネルインピーダンスが低下し、サンプリングゲートインピーダンスが最小値にセットされる。サンプリングゲート108のインピーダンスが最小値にセットされると、アナログメモリセル120として使用される蓄積コンデンサは、入力増幅器104の出力に存在する電圧に急速に充電される。このモードを、サンプリングインピーダンス制御値128がより高い値、それどころか最大値にセットされたときに選択される第2のサンプリングモードに由来するモードと区別するために、「即時電圧サンプリング」モードと称することができる。サンプリングインピーダンス制御値128が、高いインピーダンス値または最大直列抵抗値に関して選択されると、出力S1〜S3は、イネーブルされたときに最小電圧値にあるか、または最小電圧値に近い値にあり、その結果、各サンプリングゲートFET108にわたりより低いゲート・ソース電圧が生じ、したがって各サンプリングゲート108のFETのソースとドレインとの間のチャネルにより高いサンプリングゲート直列抵抗が生じる。サンプリングゲート108の直列抵抗が高い値または最大値にセットされると、その効率によってR−Cフィルタが形成され、アナログメモリセル120の蓄積コンデンサによって、積分コンデンサが実現される。この第2のサンプリングモードは、レーザが一般的に高効率VCSELである半導体レーザである場合に、正弦波変調がパルスレーザ送信器68に適用されると非常に有効であると考えられる。S1によって駆動されるサンプリングゲート108にサンプリングクロックが印加されることによって、またこれが正弦波変調と同じ周波数であることによって、和周波数および差周波数は、サンプリングされた信号に現れ、アナログメモリセル120の蓄積コンデンサは、和周波数をフィルタリング除去し、また差周波数がゼロになり、その結果DC電圧成分のみが残り、これは位相差三角関数になる。入力増幅器104の出力に由来する正弦波変調の多数のサイクルにわたり、このDC電圧は、送信された波形と受信した波形との間の位相差の正弦波または余弦波として現れることになる。この位相差は、反射性の表面までの距離に比例する。処理利得を改善するために、S2信号によって駆動される第2のサンプリングゲートは、同一であるが、しかしながら90°位相シフトされているサンプリングクロック周波数によって駆動され、2つのDC電圧のうちの高い方、または2つの電圧の比率を、位相の評価のために、またそれによって距離を評価するために使用することができる。一般的には所定の比率が好ましい。何故ならば、それによって、到来する正弦波の振幅の変動が誤差項として除去されるからである。このタイプの検出は、「同相」および「直角位相」の局所的な基準に依拠し、「I&Q」検出スキームと称されることが多い。したがって、サンプリングゲート108は、サンプリングインピーダンス制御値128の状態およびサンプルクロック114によって適用される周波数に応じて、第1のサンプリングモードにおいては即時電圧サンプラとして動作することができるか、または第2のサンプリングモードにおいては周波数ミキサとして動作することができる。第1のサンプリングモードにおいては、単一のパルスまたはパルスシーケンスの形状を取得することができ、また第2のサンプリングモードにおいては、周期的な波形変調、例えば正弦波を周波数混合効果および蓄積コンデンサおける積分を介して復調することができ、その結果、位相測定が行われ、またそれによって距離が求められる。ユニットセル電気回路内の復調は、早期の時点においてデータを分類し、それによってメモリおよび高速ディジタルプロセッサに対する要求が低減される。択一的に、正弦波または他の周期的な波形の復調を、高速算術ユニットを前提としたアナログサンプルのディジタル化された表現および適切なアルゴリズムに基づいて、データ分類プロセッサ86において実行することができる。これは、即時電圧サンプリングモードの電力およびフレキシビリティを表し、何故ならば、SNRを高めるために、位相を測定するために、もしくは距離測定エラーを低減するために、PWD、CSC、FIRフィルタIIRフィルタ、I&Q、または任意の数のカーブフィッティングアルゴリズムが実行されるように、データ分類プロセッサ86を適合させることができるからである。

0027

図6Aは、パルスレーザ送信器68、フラッシュ検出器67およびビームステアリングメカニズム70の好適な実施の形態の中心セクションを示す。シリコン基板130が、キャビティ142、片持ち式の撓み部材138、ならびに端面発光レーザ132およびビーム調整レンズ134を実装するための2つの凹部区間を有するために、フォトリソグラフィ技術およびMEMS製造技術を介して処理される。ビーム調整レンズ134は、一般的には、ボールレンズまたはロッドレンズであるが、端面発光レーザ132の長円の出力ビームの円形化および/またはコリメートに有用な他のタイプのレンズであってもよい。アングルブロック136は、端面発光レーザ132の調整された出力ビームを、撓み部材138のミラー表面146に偏向するために使用される。ミラー表面146は、金、銀、アルミニウムニッケルチタニウムまたは他の反射性金属であってよく、また種々の金属膜から成るスタックであってよい。ミラー表面146は、二酸化ケイ素窒化ケイ素サファイアフッ化カルシウムまたは他の適切な誘電体膜から形成された、多層誘電体反射器であってもよい。動作時に、種々のインターディジタル型コンタクト148には異なる電圧が印加され、撓み部材138の裏面には圧電歪みが生じる。圧電歪みが圧縮性である場合には、撓み部材138は上方に曲がる(基板130の上面よりも上に曲がる)。圧電歪みが伸張性である場合には、撓み部材138は、キャビティ142の内部に向かって下側に撓む。インターディジタル型コンタクト148に印加される異なる電圧の符号に応じて、歪みは圧縮性または伸張性になる。このようにして、出力光ビーム140は、図示されているように角度θにわたり掃引を行うことができる。この角度θは、一般的に17°の範囲にあって、1ms未満で掃引を完了することができ、また場合によっては、設計の詳細に応じて、100μs未満で掃引を完了することができる。端面発光レーザ132の後側においては、端面発光レーザ132のバックファセットを介して伝送された出力の一部を捕捉するために、エッジ検出PINダイオード144が光出力検出器として配置されている。パルスレーザ送信器68は、レーザ132以外に、電気駆動回路および制御プロセッサ58との電子インタフェースを含む、複数の他のコンポーネントを有している。それらの回路は、ここでは図示していないが、他の刊行物には開示されている。同様に、フラッシュ検出器67は、電気増幅器および閾値検出回路を含む、PINダイオード144とは別の構成要素を有している。それらの回路もまた他の刊行物に詳細に記載されており、本発明にとってあまり重要ではない。

0028

図6Bは、ビームステアリングメカニズム70の第2の実施の形態の中心セクションを示す。ビームステアリングメカニズム70については種々の実施の形態が見込まれ、またそれらの各実施の形態を図6A,6B,6Cおよび6Dと関連させて説明する。ビームステアリングメカニズム70の動作モードを、LADARセンサ(32,34)の動作と関連させて説明する。シリコン基板150が、キャビティ156、片持ち式の撓み部材158、ならびに端面発光レーザ152およびビーム調整レンズ154を第1の面に実装するための2つの凹部区間を有するために、フォトリソグラフィ技術およびMEMS製造技術を介して処理される。ビーム調整レンズ154は、一般的には、ボールレンズまたはロッドレンズであるが、端面発光レーザ152の長円の出力ビームの円形化および/またはコリメートに有用な他のタイプのレンズであってもよい。端面発光レーザ152の出力ビームは、レンズ154によって偏向されて、撓み部材158のミラー表面160に入射する。ミラー表面160は、金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタニウムまたは他の反射性金属であってよく、また種々の金属膜から成るスタックであってよい。ミラー表面160は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、フッ化カルシウムまたは他の適切な誘電体膜から形成された、多層誘電体反射器であってもよい。動作時に、種々のインターディジタル型コンタクト162には異なる電圧が印加され、撓み部材158の裏面には圧電歪みが生じる。圧電歪みが伸張性である場合には、撓み部材158は上方に曲がる(基板150の上面よりも上に曲がる)。圧電歪みが圧縮性である場合には、撓み部材158は、キャビティ156の内部に向かって下側に撓む。インターディジタル型コンタクト162に印加される異なる電圧の符号に応じて、歪みは圧縮性または伸張性になる。このようにして、出力光ビーム164は、図示されているように角度θにわたり掃引を行うことができる。この角度θは、一般的に17°の範囲にあって、1ms未満で掃引を完了することができ、また場合によっては、設計の詳細に応じて、100μs未満で掃引を完了することができる。相補的な構造を、同じやり方で、基板150の裏面に形成することができ、また同一の構造が、第1の表面における構造と組み合わされて使用されることによって、この場合には34°の範囲になる角度2θが掃引される。場合によっては、基板150の裏面における構造は、ウェハボンディングまたは他のプロセスによって、2つの類似のMEMS基板150および151を1つに組み付けることによって形成される。2つの基板150および151が接合されている個所には結合線166が示されている。

0029

図6Cは、ビームステアリングメカニズム70の第3の実施の形態の中心セクションを示す。第1のシリコン基板168が、キャビティ178、片持ち式の第1の撓み部材180、ならびに端面発光レーザ170およびビーム調整レンズ172を上面に実装するための2つの凹部区間を有するために、フォトリソグラフィ技術およびMEMS製造技術を介して処理される。第3の凹部区間175は、例えば化学機械研磨のような、MEMS技術によって形成されている。凹部区間175は、側壁における角度付けられた輪郭および鏡面化された表面174を有している。ビーム調整レンズ172は、レーザ170の出力ビームの中心線から垂直方向にずらされており、かつそのビームを鏡面化された表面174に偏向させる。ビーム調整レンズ172は、一般的には、ボールレンズまたはロッドレンズであるが、端面発光レーザ170の長円の出力ビームの円形化および/またはコリメートに有用な他のタイプのレンズであってもよい。出力ビームは、続いて、第2の撓み部材188のミラー表面190に向けられる。第2の撓み部材188は、第2のシリコン基板184に形成されており、この第2の基板184には、MEMSプロセスによってキャビティ186が形成されている。第2のシリコン基板184は、第1のシリコン基板168の上に配置されており、かつ第1のシリコン基板168にボンディングされている。ボンディングプロセスは、接着性の手段、エポキシ性の手段、または表面活性化の他の化学的/物理的手段を含むことができる。ミラー表面190は、金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタニウムまたは他の反射性金属であってよく、また種々の金属膜から成るスタックであってよい。ミラー表面190は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、フッ化カルシウムまたは他の適切な誘電体膜から形成された、多層誘電体反射器であってもよい。動作時に、種々のインターディジタル型コンタクト192には異なる電圧が印加され、第2の撓み部材188の裏面には圧電歪みが生じる。圧電歪みが圧縮性である場合には、撓み部材188は上方に曲がる(第2のシリコン基板184の上面よりも上に曲がる)。圧電歪みが伸張性である場合には、撓み部材188は、キャビティ186の内部に向かって下側に撓む。インターディジタル型コンタクト192に印加される異なる電圧の符号に応じて、歪みは圧縮性または伸張性になる。このようにして、出力光ビーム194は、図示されているように約17°の角度にわたり掃引を行うことができる。第2の撓み部材188によって偏向された出力ビームは、続いて、第1の撓み部材180の鏡面化された表面182に入射する。動作時に、種々のインターディジタル型コンタクト176には異なる電圧が印加され、第1の撓み部材180の裏面には圧電歪みが生じる。圧電歪みが伸張性である場合には、撓み部材180は上方に曲がる(シリコン基板168の上面よりも上に曲がる)。圧電歪みが圧縮性である場合には、撓み部材180は、キャビティ178の内部に向かって下側に撓む。インターディジタル型コンタクト176に印加される異なる電圧の符号に応じて、歪みは圧縮性または伸張性になる。このようにして、出力光ビーム194は、2つのMEMS撓み部材の縦続接続に基づき、34°の範囲の角度θにわたり掃引を行うことができる。この角度θは、1ms未満で掃引を完了することができ、また場合によっては、設計の詳細に応じて、100μs未満で掃引を完了することができる。

0030

図6Dは、ビームステアリングメカニズム70の第4の実施の形態の中心セクションを示す。シリコン基板196が、キャビティ198、片持ち式の撓み部材200および角度付けられたミラー表面204を有するために、フォトリソグラフィ技術およびMEMS製造技術を介して処理される。垂直キャビティ表面放射型レーザ(VCSEL)206は、シリコン基板196の底面に実装されている。VCSELレーザ206の出力ビームは、一般的に円形であり、また通常の場合、調整の必要はないが、設計に応じてビームの前方に配置された集束レンズおよび/または視準レンズを有していてもよい。VCSELレーザ206の光出力ビームは、角度付けられたミラー表面204によって偏向されて、撓み部材200のミラー表面202に入射する。ミラー表面202,204は、金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタニウムまたは他の反射性金属であってよく、また種々の金属膜から成るスタックであってよい。ミラー表面202,204は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、フッ化カルシウムまたは他の適切な誘電体膜から形成された、多層誘電体反射器であってもよい。動作時に、種々のインターディジタル型コンタクト208には異なる電圧が印加され、撓み部材200の裏面には圧電歪みが生じる。圧電歪みが圧縮性である場合には、撓み部材200は上方に曲がる(基板196の上面よりも上に曲がる)。圧電歪みが伸張性である場合には、撓み部材200は、キャビティ198の内部に向かって下側に撓む。インターディジタル型コンタクト208に印加される異なる電圧の符号に応じて、歪みは圧縮性または伸張性になる。このようにして、出力光ビーム210は、図示されているように角度θにわたり掃引を行うことができる。この角度θは、一般的に17°の範囲にあって、1ms未満で掃引を完了することができ、また場合によっては、設計の詳細に応じて、100μs未満で掃引を完了することができる。

0031

図6Eは、図6Bに示した構造を等角図で表したものと、ピクセル化された遠距離場パターン165とを示し、この遠距離場パターン165がパルスレーザ送信器68によって掃引される。動作時には、ビームステアリングメカニズム70の利点によって、パルスレーザ送信器68に対するより低いピーク出力要求が実現される。ここでは、第1の基板150に実装されている端面発光レーザ152の1×8行のアレイ、ロッドレンズ154、および鏡面化された表面160を備えている撓み部材158が図示されている。分かり易くするために、ここでは8×8の遠距離場パターン165が図示されている。実際には、各端面発光レーザ152の総エネルギ164を、LADARセンサ(32,34)の視野内の単一のピクセルに向けることができる。各ピクセルは特定の立体角を規定し、またパルスレーザ送信器68の目的は、視野内のピクセルを照明することであり、またLADARセンサは、そのように照明された各ピクセルまでの距離を計算する。ネオジウムYAGエルビウムガラスのような固体レーザの場合には、照明エネルギが、1つの巨大なパルスで供給されることになり、遠距離場165全体が照明されなければならない。典型的な検出器アレイは、全部で16,384ピクセルの128×128ピクセルの正方形アレイである。1mJレーザの場合、これは遠距離場における各ピクセルに約61μJが供給されることを意味する。ステアリング可能なレーザ送信器の利点が、この例によって証明されている。61μJ半導体レーザは十分可能な範囲にあるが、これに対し1mJ半導体レーザは、現在の技術ではほぼ実現不可能である。類似の構造(図示せず)が、裏面において第2の基板151に組み立てられており、これによって、照明空間165の幅を実質的に2倍にすることができる。

0032

図7Aは、光学利得ブロック76の等角図を示し、この光学利得ブロック76を、LADARセンサ受信経路に配置し、視野内の遠位の対象物または低反射性の対象物から反射された、弱い戻り光信号を増幅することができる。この場合、光学利得ブロックは、矩形の溶融型バンドルファイバ212を含み、この溶融型バンドルファイバ212は、多数の個々のエルビウムドープ型ファイバ216から形成されている。拡散板214が、4つの面にそれぞれ接合されており、それらの面がポンプレーザダイオードアレイによって照明される。

0033

図7Bは、光学利得ブロック76のアセンブリの等角図を示す。多数のVCSELレーザ220から成るポンプレーザVCSELアレイ218は、溶融型バンドルファイバ212および拡散板214から成るサブアセンブリに接合されている。到来する反射光は、露出されている端面において、溶融型バンドルファイバ212の各エルビウムドープ型ファイバ216に入射する。ファイバ横断面は、ここでは矩形または正方形として示されているが、六角形、円形等の他の形状のファイバ横断面も使用することができる。

0034

図7Cは、各拡散板214の外面にポンプレーザVCSELアレイ218が接合されている、光学利得ブロック76の完成したアセンブリの端面図を示す。VCSELアレイ218の個々のVCSEL220それぞれのアノードおよびカソードのための電気的なコンタクト222が、基板を貫通してエッチングされて金属めっきされたビアによって、VCSELアレイ218の外面に設けられている。到来する反射光は、露出されている端面において、溶融型バンドルファイバ212の各エルビウムドープ型ファイバ216に入射する。ファイバ横断面は、ここでは矩形または正方形として示されているが、六角形、円形等の他の形状のファイバ横断面も使用することができる。

0035

図8は、光学利得ブロック76の第2の実施の形態の中心セクションを示す。図7A図7Cに示されているように側方からのポンピングが行われる、エルビウムドープ型ファイバから成るバンドルファイバ212の代わりに、この設計では、溶融型バンドルファイバ212のエルビウムドープ型ファイバ216の端面においてポンピングが行われる。受信器ハウジング224は、クイックコネクト型の光学マウントであって、外部のレンズアセンブリ228を取り付けるための雌ねじを有することができる円筒フランジ226を有している。代替的に、円筒フランジ226は、バヨネット式の光学マウントを提供することができ、このバヨネット式の光学マウントを、レンズアセンブリ228のボディにおける相補的な特徴部に係合させることができる。レンズアセンブリ228は、ここでは凸レンズとして示されている、複数のレンズ素子230を有することができる。しかしながら、凹レンズ、球面レンズおよび拡散アレイを含む他のタイプのレンズもレンズ素子230に使用することができる。各レンズ素子230は、レンズアセンブリ228の内面に形成された凹部232の内側に取り付けられている。剛体のレンズ素子230と、レンズアセンブリ228の金属ボディとの間のコンプライアンスを提供するために、複数のOリング234を使用することができる。動作時に、反射光236は、レンズ素子230およびダイクロイックオプティカルフラット238を通過して、溶融型バンドルファイバ212に入射する。反射光236の波長は、一般的には、エルビウムガラスレーザの1.54μmの波長であるか、またはリン化インジウムで形成された半導体レーザの1,530nm〜1,650nmの帯域にある。ダイクロイックオプティカルフラット238は、1,530μm〜1,650μmの範囲の広帯域の波長を通過させ、また980nmを中心にしたより狭い帯域の光を反射する。980個のポンプレーザダイオードから成る矩形のアレイ240が、受信器ハウジング224の側壁の凹部において、反射光236の伝播方向に対して所定の角度で配置されている。この設計においては、レーザダイオードアレイ240の各素子242は、電気的なコンタクト241を介して供給される電気的な駆動信号に応答して、ディフューザ246に入射する光ビーム244を生成するVCSELである。ディフューザ246は、一般的には、回折格子またはホログラフィックレンズ素子であり、これは各光ビーム244に由来する光を均一にディフューザ246の出力面を介して均一に分散させるものであり、分散された光は、ここでは、それぞれが単一の入力ビーム244から生成された、多数の小さい光出力ビーム248として示されている。このようにして、溶融型バンドルファイバ212の各エルビウムドープ型ファイバ216を均一に照明する、高度に均一な柱状の光が形成される。出力ビーム248は、ダイクロイックオプティカルフラット238の下面に入射し、溶融型バンドルファイバ212の入力面に向かって反射される。このようにして、一体的に溶融されることによって溶融型バンドルファイバ212になったエルビウムドープ型ファイバ216は、980nmの光エネルギで光学的にポンピングされる。溶融型バンドルファイバ212の他方の端部においては、別のダイクロイックオプティカルフラット250が設けられており、この別のダイクロイックオプティカルフラット250もまた、1,530μm〜1,650μmの範囲の広帯域の波長を通過させ、また980nmを中心にしたより狭い帯域の光を反射する特性を有している。減衰したポンプ光が溶融型バンドルファイバ212から出射すると、この減衰したポンプ光は、ダイクロイックオプティカルフラット250の反射性の表面に入射し、溶融型バンドルファイバを介して返されることにより、2回目の通過が行われ、これによって光学ポンピングプロセスの効率が高められる。またダイクロイックオプティカルフラット250は、ポンプレーザダイオードアレイ240によって光学的にポンピングされて励起状態にされている、エルビウムドープ型ファイバ増幅器として動作するエルビウムドープ型ファイバ216によって増幅された反射光信号を通過させる。溶融型バンドルファイバ212のエルビウムドープ型ファイバ216における励起状態の最大レベルを実現して、最大の光学利得を達成することができるようにするために、照明パルスの放射より1.2ms前にポンプレーザダイオードアレイ240を始動させることができる。エルビウムドープされたガラスの蛍光発光時間は1.2msであるので、最大利得は、電気的なコンタクト241を介するポンプレーザダイオードアレイ240への電気的な駆動信号が印加されるタイミングにおいて、この大きく先取りした始動時間にほぼ相当する時間を必要とする。ナノ粒子がドープされている、新たなタイプのエルビウムドープ型ファイバは、旧型の製品に関する2%〜3%のレベルに比較して、10%を上回るドーピングレベルを有することができる。これによって、ファイバの長さ当りのより高い利得が実現される。Draka CommunicationsのDrakaEliteファイバ、およびKigre,Inc.のQXエルビウムドープ型リン酸塩ガラスファイバのような製品は、そのような特性を示し、また本願の設計に良く適している。また、エルビウムドーピング増感するためのイットリウムドーピングと、1,480nmのポンプ光を使用する方法によって、Lバンド(1,575nm〜1,630nm)において、僅か8.8cm(3.5in)のファイバ長で26dBの利得が得られる。この方法は、パルスレーザ送信器68の波長の変更およびダイクロイックオプティカルフラット238および250に対する変更を要求する。Optoelectronics and Optical Communication Center,Department of Physics,UNCCharlotte,Charlotte,NCのAyman M.Samara等著の論文「High−Gain Short−Length Phosphate Glass Erbium−Ytterbium−Doped Fiber Amplifiers」には、イットリウムで増感されたエルビウムドープ型ファイバを使用するための構造および方法論が記載されている。さらに、Department of Physics,University of Sulaymania,Kurdistan Region,IraqのParekhan M.Jaff等著の論文「The Gain Performance of Ytterbium Doped Fiber Amplifier」には、イットリウムのみがドープされたファイバの性能が記載されており、このファイバは、非常に短いファイバ長に関して20dBを超える利得を達成するが、それにもかかわらずやはり、最適なポンプ波長は910nmにシフトし、また最適なパルス伝送波長は975nmにシフトする。ここでもまた、パルスレーザ送信器68の波長についての変更およびダイクロイックオプティカルフラット238および250に対する変更が要求される。光学ポンピング、ポンプ波長、パルス伝送波長およびファイバ組成の適切なレベルが設定されれば、20dBを上回る光学利得を、短い(6in未満の)長さのエルビウムドープ型ファイバ216でもって実現できることが期待される。より高い利得を得るためには、より長い区間のファイバを、本発明の設計によって収容することができる。

0036

最終的に、増幅された反射光236は、溶融型バンドルファイバ212の出力面から出射して、検出器アレイ78に入射する。検出器アレイ78は、増幅器アレイ80に取り付けられた状態で示されており、この増幅器アレイ80自体は、回路基板252に取り付けられている。回路基板252は、4つのねじ254によって所定の位置に保持されているが、変形可能なプラスチックを用いた頭付け、はんだリフローリベット金属クリップおよび/または接着剤系/エポキシ系を含む他の固定手段を使用することもできる。回路基板252の裏面には、読出し集積回路82が取り付けられており、この読出し集積回路82は、回路基板252におけるビアを介して、増幅器アレイ80に接続されている。択一的に、検出器アレイ78、増幅器アレイ80、回路基板252および読出しIC(ROIC)82から成る焦平面アレイ(FPA)アセンブリを、図11から図17に詳細に示した多種多様なFPAのオプションのうちのいずれかに置換することができる。

0037

図9は、光学利得ブロック76の第3の実施の形態の中心セクションを示す。受信器ハウジング224、円筒フランジ226、レンズアセンブリ228、レンズ素子230、ダイクロイックオプティカルフラット250、回路基板252、固定部材254、検出器アレイ78、電子増幅器アレイ80およびROIC82は、図8の設計と類似または同一の設計であるが、受信器ハウジング224の長さは短縮されている。溶融型バンドルファイバ212の代わりに、垂直キャビティ半導体増幅器(VCSOA)アレイ256が設けられている。VCSOAアレイ256は、リン化インジウム基板の頂面に形成されており、また基板および構造については、図10と関連させて詳細に説明する。代替的な設計においては、リン化インジウム基板を、化学機械研磨(CMP)を介して除去することができ、またガラス製オプティカルフラットに置換することができる。個々のVCSOA素子264は、到来する反射光236を光学的に増幅する。VCSOA264の光学利得領域は、電気的なコネクション258を介して電気的にポンピングされる。1つの好適な実施の形態における電気的なコネクション258は、その電気的なコネクション258の各導体が絶縁材260によって包囲されているリボンケーブルによって形成されている。VCSOAアレイ256の裏面への接続部は、基板貫通ビア262によって形成されている。動作時に、ダイクロイックプレート250は、光ファイバとして機能し、周囲可視光および赤外線光が検出器アレイ78に到達することを維持する。光学機械シャッタ257を、(1つまたは複数の)ワイヤ263によってシステム制御プロセッサ58に接続されているアクチュエータ259によって電気的に動作させることができ、それらのワイヤ263は、絶縁体261によってレンズアセンブリ228のハウジングから絶縁されている。機械式のシャッタ257は、ベネチアンブラインド型、回転絞り、クラッパまたはスライドであってよい。アクチュエータ259は、設計に固有のシャッタのタイプに応じて、線形アクチュエータまたは小型電気モータまたは回転出力を有するステッピングモータであってよい。

0038

図10Aは、VCSOA素子264の中心セクションを示す。到来する反射光236は、反射防止(AR)コーティング266を介してVCSOAに入射して、リン化インジウムであってよい基板268を通過するか、または代替的な実施の形態においてはオプティカルフラットを通過する。キャビティの頂面における分布ブラッグ反射器DBR)270は、反射光236が、光パルスの伝送および反射の波長に合わせられた多重量子井戸MQW)材料である利得領域272に入射する前に、その反射光236を減衰させる。反射光信号236は、続いて、アノード278およびカソード280の電気的なコンタクトを介して電気的にポンピングされた利得領域において増幅される。キャビティの底部におけるDBR274は、光学モード閉じ込め、これによって利得領域の複数回の通過が実現され、したがって一種共振増幅器が形成される。最終的に、ARコーティング276は、検出器アレイ78への最適な伝送を提供する。キャビティが過度に強くポンピングされないようにするために、何らかの処置が行われなければならないか、またはレージングモードを実行することができる。この構造を、レージング閾値以下で動作するVCSELの構造と見なすことができる。DBRを、伝送波長に応じて、屈折率のコントラストを生じさせるためにドープされたリン化インジウム(InP)に形成することができるか、またはこの構造を、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)または他の適切な光半導体に形成することができる。

0039

図10Bは、VCSOA素子264をウェハボンディングによって形成することができるやり方を示す。このプロセスにおいて、オプティカルフラット268が出発点であり、ARコーティング266が上面に設けられている。オプティカルフラット268の底面には、DBR270が、誘電材料交番層によって形成されており、この誘電材料は、任意の光学材料、例えばホウケイ酸ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタニウム、フッ化マグネシウム硫化亜鉛アンチモン化インジウム等であってよい。それらの膜は、一般的には、物理気相成長PVD:Physical Vapor Depoition)によって堆積される。上面にMQW利得領域272を有しているInPウェハが続けて、オプティカルフラット268の底面に接合され、露出されているInP基板の大部分が続けてCMPによって除去される。ここで、底部DBR274は、頂部DBR270と同様に、誘電材料の交番層によって形成されている。最終的に、ARコーティング276が設けられ、メサエッチングされ、アノード278およびカソード280の電気的なコンタクトを形成するために金属パターンが堆積される。

0040

図11は、検出器アレイ78を有している焦平面アレイの1つの好適な実施の形態の中心セクションを示す。この設計において、検出器アレイ78は、廉価なヒ化ガリウム(GaAs)基板282に形成されている。グレーデッドヒ化インジウムガリウムアルミニウム(InGaAlAs)の薄膜変性層284が、GaAs基板上に成長され、InGaAsに整合された結晶構造格子が形成される。InGaAs286の薄層が続いてエピタキシャルに成長される。最終的に、エピタキシャル層のスタックがInGaAsに成長され、このスタックは、p導電型またはn導電型にドープされるか、または真正である。続いて、この層スタックはエッチングされてメサ288が形成される。エピタキシャル成長されたスタックは、PIN、NIPまたAPDタイプの検出器を提供することができる。ここでは、Nアップ構造のPINが示されており、n導電型材料が基板を介して照明され、またp導電型材料が各メサ288の頂面に設けられている。この図においては、より良い理解のために12個の検出器が示されているが、128×128個の検出素子288を有しているアレイが一般的である。続いて、金属が格子パターンで堆積されて、共通のカソードコンタクト290が形成される。各検出素子288のアノードは、インジウムバンプ292を介して、読出し集積回路(ROIC)82のユニットセルの増幅器入力に接続される。インジウムバンプ292を、冷間ボンディングしてもよいし、代替的な実施の形態においては、はんだから形成して、また電気的な接続部を形成するためにリフローしてもよい。読出し集積回路82は、多数の基板貫通ビア(TSV)294を有しており、これらのTSV294によって、ROIC82の上面における回路が裏面に接続される。ボンディングパッド296は、ワイヤボンディング298を介する、支持回路基板302上の導電性パッド300との何らかの電気的な接続部を形成するために使用することができる。他の電気的な接続部は、ROIC82からはんだバンプ304を介して回路基板302に形成されている。ROIC82ダイを、はんだ306によって、または代替的には熱伝導性エポキシによって、回路基板302に共晶的に取り付けることができる。

0041

図12は、検出器アレイ78を有している焦平面アレイの好適なパッケージング設計の中心セクションを示す。検出器アレイ78は、M×Nの矩形アレイであってよく、NおよびMは、各軸において大凡2個から数百個のピクセルであってよい。回路基板302は、一般的にセラミックであり、用途に応じてアルミナ窒化アルミニウムであるか、または酸化ベリリウムである。導体314は、一般的には、導電性インクシルクスクリーンマスクまたはステンシルを介して供給されて高温焼結される、付加的な薄膜プロセスによって形成される。導体314を薄膜プロセスによって形成することもでき、この薄膜プロセスでは、回路基板302の上面全体がスパッタリングまたは物理気相成長(PVD)によって堆積された導電膜によって覆われる。回路基板302の表面は続けて、一般的なプリント回路基板(PCB)プロセスにおいて行われているように、フォトレジストを用いてパターン形成されてエッチングされる。続けて、シルクスクリーンまたはステンシルを使用して、薄膜絶縁層308が印刷され、また焼結される。導電性ビア310を埋めるための開口部が絶縁層308に残され、それらは、画枠状の導電性パッド312と同じ順序で印刷および焼結される。検出器アレイ78が取り付けられているROIC82は、はんだ306によって、または代替的には熱伝導性エポキシによって、回路基板302に共晶的に取り付けられる。電気的な接続部は、はんだバンプ304によってROIC82から回路基板302に形成されており、はんだバンプ304は、アセンブリの封止に先行してリフローされる。次に、CoVar(R)フレーム318に保持されている平坦窓ガラス320から成る気密窓カバーが、連続的なはんだシーム316によって取り付けられる。フレーム318は、はんだ付け性を高めるために、ニッケルめっきおよび金めっきされている。窓ガラス320は、平坦でなくてもよく、またレンズ湾曲部を有していてもよい。窓ガラス320は、関心の対象となる波長、本願の設計では一般的に1.54μm〜1.57μmの波長を除き、あらゆる光を遮断する薄膜光学フィルムの形態で表面に設けられたフィルタを有していてもよい。フレーム318は、押し出し成形または機械加工によって形成することができるか、または深絞りプロセスによって形成することができ、この場合フレーム318は、窓ガラス320に接触する角においてより大きい半径を有することができ、また矩形の型の形状を取る。窓ガラス320は、フリットシールプロセスによってフレーム318に取り付けられており、このフリットシールプロセスでは、低温ガラス合金フリット粉末の形態で供給され、続いて、ガラスフリット粉末がリフローするまでアセンブリが加熱されて、それによって窓ガラス320がフレーム318に永続的に取り付けられる。このようにして、FPAアセンブリに関して、低コストであるにもかかわらず、気密で高性能のパッケージを実現することができる。

0042

図13は、ROIC82の各ユニットセルに関連付けられている入力増幅器を置換および増補するために増幅器アレイが組み込まれている検出器アレイ78を有している、FPAの別の好適なパッケージング設計の中心セクションを示す。図12の設計からの変更点は単純に1つだけであり、ROIC82が回路基板302の裏面に移動されているが、それに対し検出器は依然として2次元増幅器アレイ80の上に配置されていることである。ROIC82は、一般的には、高速CMOSプロセスで製造されている。使用されるプロセスは、非常に高密度を有しており、利用可能なユニットセル領域の大部分は、サンプリング回路およびアナログメモリセルによって消費される。これは、本願の設計における増幅器アレイ80に設けられているタイプの高利得トランスインピーダンス増幅器を実現するための、回路設計者の能力を制限する。増幅器アレイ80は、2つの重要な機能を実行する。第1の機能は、検出素子288から受け取った低レベルの光電流の増幅である。増幅器アレイ80に関して選択された技術はBiCMOSプロセスであるので、高フォワード利得増幅回路が実現される。トランスインピーダンス増幅器のためにユニットセルの領域全体を利用できるということは、増幅器アレイ80の製造に関する電力密度規則に反することなく、所望の利得を得るために、十分なバイアス電流を利用できることを意味している。増幅器アレイ80によって実行される第2の重要な機能は、検出素子288の出力インピーダンスを、非常に高いインピーダンスから、基板302を介する伝送に適した、遙かに低いインピーダンスに変換することである。増幅器アレイ80のピクセル増幅回路の設計は、図17と関連させて論じる。増幅器アレイ80の各ピクセル増幅器は、インジウムバンプまたははんだバンプ330を介して検出器アレイ78の検出素子288の端子に接続されている入力を有しており、また一般的には、TSV322を介して、裏面のはんだバンプ324に接続されているシングルエンド型の出力を有している。はんだバンプ324は、回路基板302における第2のTSV326との接続のためにリフローされ、この回路基板302は、別のはんだバンプ328を介して、ROIC82のユニットセル電気回路の入力に接続されている。パッケージングが図12において説明したように組み立てられて封止された後に、増幅器アレイ80を、金属パッド314またはTSV326を介して、電気的に接続することができる。回路基板302は、一般的に薄膜セラミックであり、用途に応じてアルミナ、窒化アルミニウムであるか、または酸化ベリリウムであるが、しかしながら薄膜回路であってもよい。図12に示したように、CoVar(R)フレーム318に保持されている平坦な窓ガラス320から成る気密窓カバーが、連続的なはんだシームによって取り付けられる。

0043

図14は、離散的な検出素子332の2次元アレイから成る検出器アレイ78が組み込まれている、さらに別の好適な焦平面アレイの設計の中心セクションを示す。各離散的な検出素子332は、慣例の方法を使用してInP基板上のInGaAsのp導電型層、n導電型層または真正層のエピタキシャル成長によって形成されており、また検出素子332間をエッチングして「通路」を形成することによってメサが設けられている。離散的な検出素子332が、続いて検査およびマーキングされ、スクライビングおよび破断またはダイシングによって個別化される。個々の検出素子332は、現在の設計では0.2mm〜0.4mm程度に小さいと考えられる。図示されている離散的な検出素子332は、アノードおよびカソードの両方のコンタクトを上面に有しており、これを基板貫通ビア352によって実現することができるか、またはn導電型層またはp導電型層の横方向の処理によって実現することができる。個々の検出素子332を性能に関して等級付けることができ、またそれらの検出素子332は、ピックアンドプレイスロボットによって増幅器アレイ80の頂面に配置される。最新のピック・アンド・プレイスアセンブリロボットは、非常に高スループットであり、また0.2mm程度の小ささの特徴部を備えているコンポーネントを処理することができる。各検出素子332は、はんだバンプ334を介して、増幅器アレイ80のピクセル増幅器336に接続されている。はんだバンプ334は、検出素子332のアノードおよびカソードをピクセル増幅器の入力に接続しており、またピクセル増幅器によって検出素子332に分配されるバイアス電圧出力に接続している。基板貫通ビア338は、ピクセル増幅器の出力を増幅器アレイ80の裏面に接続しており、その裏面では、はんだバンプ340を介して、回路基板302上の金属パッド342に接続されている。基板貫通ビア344は、金属パッド342を基板302の裏面および金属パッド346に接続している。金属パッド346は、はんだバンプ348を介して、読出しIC82のユニットセル電気回路に接続されている。離散的な検出素子332間の溝には、炭素が付加されたエポキシインク354が分配されて硬化され、これによって検出器アレイ78の検出素子332間に光学的な絶縁部が提供される。したがって、画像におけるピクセル間光学的クロストークが発生する可能性が大幅に低減される。エポキシインク354をスピニングして、フォトレジストを適用できるやり方と同じように、撮影して現像することができるか、またはシリンジ先端およびロボット並進テーブルを使用して適用することができる。代替的な設計において、エポキシインク354に他のIR吸収材料、例えばゲルマニウム等を付加することができる。金属パッド350は、気密窓カバーのフレーム318に対して、図12および図13に示した所定の位置においてはんだ付けを行うための面を提供する。したがって、反射光パルスが検出されて、電気信号に変換されて、支持回路基板を介する伝送のために増幅および調整され、また読出しICの入力に供給され、この読出しICは、反射光パルスのアナログ波形を増幅し、閾値と比較し、またディジタルサンプリングするように設計されている。これらはいずれも、図14の構造によって最適なやり方で達成される。

0044

図15Aは、図13のFPAパッケージング設計において特徴付けられている、好適な検出器アレイ78の設計の中心セクションを示す。この検出器アレイ78は、ウェハボンディング技術によって製造されている。強くドープされたp導電型InP基板364は、その上にエピタキシャルに形成されたInGaAsのPIN構造を有しており、このPIN構造は、p導電型層362にわたり形成された真正層360上に成長されたn導電型層358を有している。このInP基板364は、続いて、高温での親水性ボンディングを使用して、または表面活性化を使用した常温プロセスによって、シリコンウェハ356に接合される。常温プロセスは好適であり、また三菱重工のウェハ接合装置MWB04/06Eの特徴である。図15Bは、アレイの処理の次のステップを示し、ここでは、InP基板の大部分が化学機械研磨(CMP)によって除去される。図15Bの底部には、CMP薄膜化プロセス後に残ったp導電型InP364の残余半導体膜が示されている。このような材料の除去によって、図15Cに示されているような、慣例の半導体プロセス技術を使用した接合ウェハパターニングおよびエッチングによるメサ構造366の形成が実現される。最終的に、オームコンタクトが形成され、また検出器アレイ78の各検出素子288のための、共通のカソード368と、個々のアノードコンタクト370と、の両方に金属電極が堆積される。好適な金属化部は、Ti/Pt/Auであるが、Ti/Ni/Auまたは他の系を使用することもできる。構造は反転されてもよいし、より高い感度のためにアバランシェフォトダイオードであってもよい。動作時に、2VDC〜10VDCの正のバイアス電圧が、カソードコンタクト368を介して、各検出素子288のカソードに印加される。カソードコンタクト368は、アレイの周辺に図示されており、かつ2Dグリッドパターンを形成するメサ間の溝に位置している。アノードコンタクト370は、ピクセル増幅器の入力にされ、また、PINダイオードは、反転バイアスモードで動作する。シリコン検出器アレイ78におけるこのInGaAsのPINによって、単純化されてより信頼性の高い組立てプロセスが実現される。通常の場合、InGaAsのPINダイオードは、InP基板に整合された格子に成長されなければならない。しかしながら、その後に検出器アレイ78が接合されるシリコンROIC82は、InPとは大きく異なる熱膨張率(CTE)を有している。使用温度は、100℃を超える範囲で変化する可能性があるので、その結果、横方向の応力蓄積されて、慣例のInP/シリコンROICハイブリッドFPAにおけるはんだ接合部を破壊する可能性がある。インジウムは、−55℃の非常に低い温度においてさえも延性のままであり、このことが、インジウムボンディングが一般的なInP/シリコンROICの組合せにおける好適なオプションであることの理由である。図15の新たな設計によって、シリコンのCTEを有しているシリコン基板356上にハイブリッドInGaAs検出器アレイ78を形成することができ、これによって、検出器アレイ78をシリコンROIC82または増幅器アレイ80に接合するための慣例のはんだ技術を使用することができる。

0045

図16は、窓カバーが外された状態の、図13のパッケージングの平面図を示す。回路基板302は、窓カバーのフレーム318を所定の位置にはんだ付けすることに適している金属化パターン312により形付けられた画枠を有している。検出器アレイ78は、増幅器アレイ80に接合されており、また多数のコンデンサ372が、パッケージ外辺部の内側に示されており、それらのコンデンサ372は、検出器アレイ78および増幅器アレイ80に供給されるバイアス電圧を減結合するために有効である。多数の抵抗374およびインダクタ376も示されている。抵抗374を、閾値の設定、出力レベルの調整等に使用することができる。インダクタ376を、フィルタ素子として使用することができるか、またはパルス回路ピーキングをもたらすために使用することができる。水晶ダイオード等の他の電子コンポーネントは、検出器アレイ78のパッケージング内で有効であると考えられ、また同様のやり方で配置およびはんだ付けすることができる。

0046

図17は、増幅器アレイ80のピクセル増幅器336の1つの好適な設計の詳細を示す。1つの好適な設計における検出素子288は、PINダイオードであり、また破線288内のコンポーネントによってSPICEシミュレーションでモデリングされている。光電流I1は、一般的には、2μA〜100μAの間で変化し、また逆バイアス下のPINダイオードの寄生容量は、一般的には、0.3pF以下である。NPNトランジスタQ3およびQ4から成る差動増幅器は、抵抗R2を介する75kΩのトランスインピーダンス利得を生じさせるために、十分な利得を提供する。差動増幅器構造を補完するものとして、可変電流源I2、スピードアップコンデンサC2およびQ4のベース回路が設けられている。I2を流れる電流は、通常の場合、1.2mAに設定されているが、しかしながら所望の利得の変化に適応するために広範に変化させることができる。Q4のベース回路は、抵抗R10が直列に接続されている、可変電圧発生器VOFFである。Q4のコレクタは、+5VDC給電部に直接的に接続されている。Q3のコレクタは、可変電流源I3に接続されており、かつ単にQ8のエミッタである第2の段増幅器の入力に接続されている。動作時に、検出素子288は、逆バイアス漏れ電流(暗電流)を有しており、この漏れ電流は、検出素子毎に多少は変化する可能性がある。バイアス電流におけるこの変動は、オフセット電圧を生じさせるが、このオフセット電圧は、可変電圧発生器VOFFの調整によって0にすることができる。VOFFは、一般的には、1.55VDCに設定されているが、しかしながら検出素子288における変動を補償するために±10%の範囲で容易に変更することができる。増幅回路および検出素子288における温度および経年変化の作用を補償するために、VOFFを変更することもできる。DCエラーのそれらの原因をそれぞれ、利得およびオフセット調整回路378のVCTRL出力によってVOFFの適切な調整する図17の回路によって補償することができる。抵抗R2は、一般的には、75kΩであるが、しかしながら種々の用途に適応させるために、5kΩ程度の低さから125kΩ程度の高さまでの範囲で変更することができる。オプションとしての反転バッファ増幅器段を使用して、ピクセル増幅器336をレガシーROIC82の入力に適合させるために使用することができる。このオプションとしての反転段は、トランジスタQ8を含んでおり、このトランジスタQ8には、反転増幅器Q7のためのダイオードバイアスとしての抵抗R7が直列に接続されている。設計に応じて、R7を小型の5μA〜10μAの電流源に置換することができる。Q7のエミッタは、1.14VDCバイアス電圧に接続されており、この場合、R1およびR3の抵抗分割器によって形成されている。Q7のコレクタは、出力であり、また抵抗R8を介して正のバイアス供給部に接続されている。本願の設計では、+5VDCを利用することができ、またこの+5VDCは、より高い性能を提供するために使用されるが、しかしながらこの設計は、3.3VDCおよび2.5VDC供給電圧を用いて試験されており、それにもかかわらず、利得、オフセットおよびバイアス設定点は、適切なヘッドルームを提供するために調整されなければならない。動作時に、DCエラーが、調整回路378に対するVCTRL入力を変更することによって0にされ、その一方で、検出器アレイ78はバイアス下にあり、機械式のシャッタ257によって暗くされる。検出器アレイ78を、そのような装備が設けられているシステムにおいてVCSOAアレイ256に対する電気的な駆動部を除去することによって部分的に暗くすることができる。一度オフセットが0にされれば、値は、LATCH入力における遷移によって、調整回路378内のメモリセルにラッチされる。

0047

LADARセンサの受信レンズにおける拡散レーザパルスの適用によって、またはサブアセンブリレベルでの拡散レーザパルスの適用によって、各ピクセル増幅器336に関する利得曲線設定点を確立することができる。利得設定点を求めるための1つの有効な方法は、2つまたは3つのレベルでの、一般的には最大レベル、低レベルおよび中間レベルでの均一なパルス照明によって、検出器アレイ78を溢れさせることである。ピクセル増幅器の利得は、電圧制御式電流源I2から供給される電流の量によって設定され、またI2における変化を追跡して、Q3のコレクタにおいて最適な負荷およびバイアス状態を生じさせるために、電圧制御式電流源I3を流れる電流が設定される。各レベルにおいて、行選択(RSEL)出力および列選択(CSEL)出力のアクティブ化、ならびにROIC82を介する出力電気信号レベルの読出しによって、各ピクセル増幅器336が選択される。続いて、利得調整が制御プロセッサ58によって計算され、またピクセル増幅器における調整された利得が、GCTRL入力によって計算される。GCTRL入力ならびに調整回路378への他の入力を、制御プロセッサ58に直接的に供給することができるか、またはROIC82を介して供給することができる。MODE入力は、較正モードに設定され、またGCTRL値が、LATCH入力における遷移によって調整回路378にラッチされる。ピクセル増幅器336に関する利得曲線における他の設定点は、1つまたは2つの残りの光入力レベルにおいて、選択された較正モードに応じて求められる。MODE線は、それらの他の設定点にアクセスするために切り換えられる。高速利得モードにおいては、MODE選択線が、感度時間調整STC:Sensitivity Time Control)モードにセットされる。STCモードが選択された場合、初期利得は、多数のピクセルを飽和させる近接場からの強い反射の可能性、また図1と関連させて説明した「ブルーミング」とも称される隣接ピクセルへの溢れ出しを低減するための最低値にセットされる。照明レーザパルスが伝送される瞬間に、高いGCTRL入力電圧が印加され、また利得は低い第1の利得設定点から高い第2の利得設定点まで急速に上昇する。この上昇は、短いランプ時間(ramp time)RTにわたり行われ、このランプ時間RTは、最大増幅利得が所望される範囲によって決定されている。TRは、ショートレンジシステムでは200ns程度の短さであることが多いが、しかしながらより大きいレンジ能力を有するシステムでは1μs〜10μs程度の長さであってよい。一般的には、1,000フィートの距離では、飛行往復時間に2μSを要し、それによって、照明レーザパルスで伝送される出力に応じて、利得は2μS以下で最大値まで上昇することになる。

0048

本明細書に記載した好適な実施の形態において、一部はホスト車両に関連付けられており、一部はLADARサブシステムに関連付けられており、また一部は個々のLADARセンサに関連付けられている、多数のディジタルプロセッサを明らかにした。それらの種々のディジタルプロセッサの分類および命名は、工学的判断に基づき行ったが、範囲または意図を変更することなく、または発明の有用性に影響を及ぼすことなく、他の分類および命名規則を使用することができる。車両に関連付けられたそれらのプロセッサ、すなわち車両CPU48および衝突プロセッサおよびエアバッグ制御ユニット44の機能を、何らかの将来の実施の形態においては、単一のディジタルプロセッサにおいて組み合わせることができる。組み合わされた車両CPU48および衝突プロセッサおよびエアバッグ制御ユニット44には、LADARシステムコントローラ30を組み込むこともでき、このLADARシステムコントローラ30は、通常の場合、LADARサブシステムに関連付けられている。幾つかの代替的な実施の形態において、LADARシステムコントローラ30(制御プロセッサ58を含む)は、スタンドアローン型の回路として除くことができ、またそれらの機能は、通常の場合、LADARシステムコントローラ30によって実行され、本願において説明したように、より高性能の車両CPU48によって受け入れられる。同様に、個々のLADARセンサの対象物トラッキングプロセッサ98を、車両CPU48に吸収することができ、また他のLADARセンサプロセッサ、例えばデータ分類プロセッサ86および制御プロセッサ58も吸収することもできる。これは、車両における計算能力のより強い集中化へと向かう傾向に追従する。これとは逆に、分散化へと向かう傾向に追従することもでき、幾つかの代替的な実施の形態は、LADARセンササブシステムへと引き下げられる処理能力を常に有している(図4を参照されたい)。別の代替的な実施の形態においては、おそらく、単一のLADARセンサだけが設置されることになるロボット車両において、実質的にすべての処理能力を、個別のLADARセンサ自体に組み込むことができる。ディジタルプロセッサという用語は、一般的には、多くのコントローラが、純粋な数学的計算を実行することができるか、またはデータ分類を実行することができ、また多くのディジタルコンピュータ制御演算も実行することができることから、ディジタルコントローラまたはディジタルコンピュータを表すために用いることができる。ディジタルプロセッサがコントローラを表しているかまたはコンピュータを表しているかは、記述上の区別でしかなく、どちらの装置の用途または機能を制限することを意図したものではない。

0049

本発明の種々の実施の形態を特許法の要求に応じて詳細に説明したが、当業者であれば、本明細書で説明した特定の実施の形態について変更および置換を行えることが分かる。そのような修正は、添付の特許請求の範囲において規定されているような本発明の範囲および意図内にある。

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