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技術 フォトニック集積距離測定ピクセルおよび距離測定方法

出願人 メズメリス インコーポレイテッド
発明者 デサイ,シャヒャーンラーディン,クリフォードエーアダムス,スコットジー
出願日 2018年7月6日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2020-521501
公開日 2020年8月31日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-526775
状態 未査定
技術分野 半導体レーザ 光学的距離測定 光レーダ方式及びその細部
主要キーワード 双方向性結合器 振動耐性 測定標 照射光パターン 光学的三角測量 複合走査 集光部品 レーザ測定システム
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題・解決手段

距離測定ピクセル装置が、共通の基板上に配置されるフォトニック集積回路を備え、さらに、その上に配置される2つの3dB双方向性結合器を有するフォトニック集積回路基板、GRINレンズ、およびGRINレンズの第2の側面に光学機械的に接続された第1の側面を有する部分反射ファラデーミラー;およびソースレーザ、第1の光検出器、および第2の光検出器を含む。関連する距離測定法は、距離測定ピクセル装置を用いる工程、局部発振(LO)ビームを生じる工程、エコーを生じる工程、LOビームおよびエコービームを混合する工程、混合されたLOビームおよびエコービームを分ける工程、および遠隔オブジェクトの距離をコード化する周波数において光検出器アセンブリ光電流変調を生じる工程、を含む。

概要

背景

高精度3Dレンジ測定が可能な小型画像センサシステムが、工業検査建設および建築バーチャルリアリティ、および自動運転車のような用途におけるセンサとして非常に関心を持たれている。今日ほとんどのシステムは、光の飛行時間(ToF)、時変光信号位相シフト、または光学的三角測量の測定に基づく:これらは、表面上の照射レーザパターンの歪みを測定することによってその3D形状を特定するか、または2つのカメラを用いてステレオ視シミュレートすることによるものである。

ToFシステムは、光の照射パルス遠隔オブジェクト点からの反射との間の遅延を測定し、その距離を推測する。光の速度は既知定数であるので、距離の計算は、放出されたパルスと受け取られたパルスとの間の時間に基づく些細なものである。しかしながら、そのようなシステムの欠点は、非常に高速精密測定回路が必要とされ、大きいレーザ照射パワーが要求されることである。

位相シフト法では、伝送された光強度が正弦波状に変調され、往復時間からの反射された光信号の位相シフトを用いて距離が測定される。位相シフト法の欠点として、変調周波数における距離依存性、クロストークおよびノイズの受けやすさ、および測定値間誤差を平均し正確な距離を修復するために多くのサンプルを集める必要性、が挙げられる。

ToFおよび位相シフトシステムはいずれも、3D形状を適切に評価するために、表面に亘って1つまたは複数のレーザからスポット走査する必要がある。精密光学機械アセンブリ、および、レーザ測定システムを正確に回転させ表面または周囲を3Dマッピングできる高分解能モータを必要とするため、現在のレーザ走査距離測定システムは高価である。しかしながら、これらのシステムは、室内および屋外で、高分解能の距離測定および長距離範囲に亘る3Dマッピング能力を提供する。

光パターンを用いるセンサは、通常はより小さく安価である。これらのセンサは、表面の形状をマッピングするために照射光パターンにおける歪みの分析を基にするため、概してパワーがより低く、高速の精密測定回路を用いることを必要とせず、所定の表面上を機械的に走査する必要がない。これらのセンサの主な制限は、範囲や分解能が不十分であり、屋外および明るい周囲環境で作動できないことである。

より最近の発明は、ラジオ周波数変調(RFCW)連続波LIDARのバリエーションである、光混合装置(Photonic Mixing Device)(PMD)(特許文献1)である。このセンサにおいては、RFCW LIDARにおいて一般に用いられる複合電気混合回路が、感光性半導体装置ピクセル内で生じるすべての光混合交換される。変調された光源を用いて表面を照射する。感光性半導体表面が、照射源と同じ周波数で電気的に変調され、2つの信号の電気光学混合によって3D距離が測定される。

小型で安価であるが、PMD装置の欠点は、十分な反射光を得るために大きいピクセルサイズを必要とし、結果として奥行き画像方位分解能が低いことである。このシステムにおける感光性半導体ピクセルを光混合中に変調できる限定周波数もまた、装置の奥行測定分解能を制限する。さらに、このシステムは、周辺光からの浸潤を受けやすく、これによって距離測定に誤差が生じる。

光ホモダイン検出を用いる、周波数変調連続波(FMCW)測距のようなレーザ測距のためのコヒーレント法は、記載される他の光測距法のすべてに対して、距離、距離測定精度、および周辺光条件での動作に改良を提供しうる。そのようなシステムにおいて、発光の周波数は直線的に変調され、ビームは2つに分けられ、1つのビームは測定標的に向かい、他方は局部発振(LO)を形成する。標的から戻ってくる光は、光検出器の表面上でLOビームと混合されて光学干渉パターンを提供し、これは、標的について詳細な距離情報を提供するように処理されうる。p−i−nフォトダイオードのような二乗検波器(square-law point detector)において、これらの干渉縞は、特異的なうなり周波数として明らかであり、ここにおいて検波器光電流が変調される、すなわち、光の変調周波数並びに標的までの距離に比例する。そのようなシステムは、特許文献2および3に記載される。

FMCWシステムは、低いレーザパワーレベルを用いて正確な距離測定を提供することができる。これらのシステムは、回転ミラーに接続され、表面上に光を走査し、周囲の距離マップを生成しうる。しかしながら、そのようなシステムは通常、光学的構成の複雑さおよび自由空間光通信を用いる実施形態において必要とされる正確な光学的公差のために比較的高価である。そのようなシステムの実施形態はまた、光ファイバ部品を用いて実践しうるが、これらはかさばる傾向にあり、自由空間設計よりも製造がわずかに複雑でないだけである。

概要

距離測定ピクセル装置が、共通の基板上に配置されるフォトニック集積回路を備え、さらに、その上に配置される2つの3dB双方向性結合器を有するフォトニック集積回路基板、GRINレンズ、およびGRINレンズの第2の側面に光学機械的に接続された第1の側面を有する部分反射ファラデーミラー;およびソースレーザ、第1の光検出器、および第2の光検出器を含む。関連する距離測定法は、距離測定ピクセル装置を用いる工程、局部発振(LO)ビームを生じる工程、エコーを生じる工程、LOビームおよびエコービームを混合する工程、混合されたLOビームおよびエコービームを分ける工程、および遠隔オブジェクトの距離をコード化する周波数において光検出器アセンブリ光電流の変調を生じる工程、を含む。

目的

しかしながら、これらのシステムは、室内および屋外で、高分解能の距離測定および長距離範囲に亘る3Dマッピング能力を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

その上に配置されるフォトニック集積回路基板、第1および第2の出力ポート並びに第1および第2の入力ポートを有する第1の3dB方向性結合器、第1および第2の出力ポート並びに第1および第2の入力ポートを有する第2の3dB方向性結合器、を含む、共通の基板上に配置されるフォトニック集積回路;前記第1の3dB方向性結合器の前記第1の出力ポートに光学機械的に接続される第1の側面を有するGRINレンズ;前記GRINレンズの第2の側面に光学機械的に接続される第1の側面を有する部分反射ファラデーミラー;前記第1の3dB方向性結合器の前記第1の入力ポートに光学的に接続される出力を有するソースレーザ;前記第2の3dB方向性結合器の前記第1の出力ポートに光学機械的に接続される第1の光検出器;および前記第2の3dB方向性結合器の前記第2の出力ポートに光学機械的に接続される第2の光検出器、を含む、距離測定ピクセル装置であって、前記第1の3dB方向性結合器の前記第2の入力ポートが、前記第2の3dB方向性結合器の前記第1の入力ポートに直接光学的に接続される、ことを特徴とする、ピクセル装置

請求項2

前記第1の方向性結合器の前記第2の出力ポートおよび前記第2の方向性結合器の前記第2の入力ポートが、光学的に終端であることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項3

前記ソースレーザが、レーザダイオードであること特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項4

前記ソースレーザ出力が、直線偏光であることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項5

前記ソースレーザ出力が、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域であることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項6

前記ソースレーザ出力が、線形チャープであることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項7

前記ソースレーザが、≦1MHzの線幅を有する分布帰還型DFB)または分布ブラッグ反射DBR)レーザであることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項8

前記ソースレーザ出力が、周波数変調連続波フォーマットにあることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項9

前記GRINレンズが、ロッドの形態であることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項10

前記第1および第2の光検出器が、自動平衡差動信号検出を行うように電気的に構成されることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項11

前記部分反射ファラデーミラーが、前記第1の3dB方向性結合器の前記第1の出力ポートからの発光の0.1%〜50%を反射することを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項12

前記ソースレーザと前記フォトニック集積回路との間に配置された光アイソレータをさらに含むことを特徴とする、請求億1に記載のピクセル装置。

請求項13

前記ソースレーザおよび前記フォトニック集積回路が、共通の基板上に配置されることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項14

前記光検出器が、前記フォトニック集積回路内に一体的に作製されることを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項15

前記部分反射ファラデーミラーの光学的下流に配置された集光部品をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のピクセル装置。

請求項16

ミラー;前記ミラーに機械的に接続され、第1の軸の周りの回転を提供するよう構成される、第1のモータ;前記第1のミラーが内部に配置される筐体;および前記筐体に機械的に接続され、前記第1の軸とは異なる第2の軸の周りの回転を提供するよう構成される、第2のモータ、をさらに含むことを特徴とする、請求項15に記載のピクセル装置。

請求項17

前記共通の基板上に配置される、1つまたは複数の軸に沿って振動できる複合走査MEMSミラーをさらに含むことを特徴とする、請求項15に記載のピクセル装置。

請求項18

前記共通の基板がその上に配置される筐体;および前記筐体に機械的に接続された、軸の周りに回転を提供するように構成されたモータ、をさらに含む、請求項17に記載のピクセル装置。

請求項19

以下の工程を含む、距離測定ピクセルと遠隔オブジェクトとの間の距離を測定する方法であって、請求項1に記載される距離測定ピクセル装置を提供する工程;前記ソースレーザから周波数変調光ビームを生成する工程;前記ソースレーザからの前記周波数変調光ビームを、前記第1の3dB双方向性結合器の前記第1の入力ポート中に接続する工程であって、前記光の半分が、前記第1の3dB双方向性結合器の前記第2の出力ポートにおいて消え、一方で残りは前記第1の3dB双方向性結合器の前記第1の出力ポートにおいて出力される、工程;前記部分反射ファラデーミラーから反射された光の所定の部分を、前記GRINレンズおよび前記第1の方向性結合器の前記第1の出力ポートに集め、局部発振(LO)光ビームを形成する工程;残った周波数変調光ビームを、前記部分反射ファラデーミラーを介してかつ徐々に集光する集光光学部品に向けて伝送する工程;前記集光光学部品を用いて、前記部分反射ファラデーミラーを介して、前記GRINレンズにおよび続いて前記第1の双方向性結合器の前記第1の出力ポートに、徐々に集光された光を交差させる前記遠隔オブジェクトから反射された光を集め、エコー光ビームを形成する工程;前記第2の方向性結合器の前記2つの出力ポートにおいて等分される、前記第2の3dB双方向性結合器の前記第1の入力ポートに向かって、複合LOおよびエコー光ビームを方向付ける工程;前記第2の方向性結合器の各出力ポートにおける前記複合LOおよびエコービームを光検出器の表面上に供給する工程であって、前記LOおよびエコー信号光混合によって、前記エコーの距離をコード化する周波数において各光検出器光電流変調が生じる、工程、を含む、方法。

関連出願

0001

本出願は、ここに参照することによってその内容が全て援用される、2017年7月7日出願の「Photonic Integrated Distance Measuring Pixel and Method of Distance Measurement」と題された米国仮特許出願第15/643,744号に優先権を主張する。

技術分野

0002

本発明の態様および実施形態は、最も広くは距離測定センサに関する;より詳細には、チップスケールの、距離測定フォトニック集積回路に関する;および、最も詳細には、距離測定ピクセルから遠隔オブジェクトまでの測定距離を特定するための距離測定ピクセルおよび関連するコヒーレント検出方法に関する。

背景技術

0003

高精度3Dレンジ測定が可能な小型画像センサシステムが、工業検査建設および建築バーチャルリアリティ、および自動運転車のような用途におけるセンサとして非常に関心を持たれている。今日ほとんどのシステムは、光の飛行時間(ToF)、時変光信号位相シフト、または光学的三角測量の測定に基づく:これらは、表面上の照射レーザパターンの歪みを測定することによってその3D形状を特定するか、または2つのカメラを用いてステレオ視シミュレートすることによるものである。

0004

ToFシステムは、光の照射パルスと遠隔オブジェクト点からの反射との間の遅延を測定し、その距離を推測する。光の速度は既知定数であるので、距離の計算は、放出されたパルスと受け取られたパルスとの間の時間に基づく些細なものである。しかしながら、そのようなシステムの欠点は、非常に高速精密測定回路が必要とされ、大きいレーザ照射パワーが要求されることである。

0005

位相シフト法では、伝送された光強度が正弦波状に変調され、往復時間からの反射された光信号の位相シフトを用いて距離が測定される。位相シフト法の欠点として、変調周波数における距離依存性、クロストークおよびノイズの受けやすさ、および測定値間誤差を平均し正確な距離を修復するために多くのサンプルを集める必要性、が挙げられる。

0006

ToFおよび位相シフトシステムはいずれも、3D形状を適切に評価するために、表面に亘って1つまたは複数のレーザからスポット走査する必要がある。精密光学機械アセンブリ、および、レーザ測定システムを正確に回転させ表面または周囲を3Dマッピングできる高分解能モータを必要とするため、現在のレーザ走査距離測定システムは高価である。しかしながら、これらのシステムは、室内および屋外で、高分解能の距離測定および長距離範囲に亘る3Dマッピング能力を提供する。

0007

光パターンを用いるセンサは、通常はより小さく安価である。これらのセンサは、表面の形状をマッピングするために照射光パターンにおける歪みの分析を基にするため、概してパワーがより低く、高速の精密測定回路を用いることを必要とせず、所定の表面上を機械的に走査する必要がない。これらのセンサの主な制限は、範囲や分解能が不十分であり、屋外および明るい周囲環境で作動できないことである。

0008

より最近の発明は、ラジオ周波数変調(RFCW)連続波LIDARのバリエーションである、光混合装置(Photonic Mixing Device)(PMD)(特許文献1)である。このセンサにおいては、RFCW LIDARにおいて一般に用いられる複合電気混合回路が、感光性半導体装置ピクセル内で生じるすべての光混合交換される。変調された光源を用いて表面を照射する。感光性半導体表面が、照射源と同じ周波数で電気的に変調され、2つの信号の電気光学混合によって3D距離が測定される。

0009

小型で安価であるが、PMD装置の欠点は、十分な反射光を得るために大きいピクセルサイズを必要とし、結果として奥行き画像方位分解能が低いことである。このシステムにおける感光性半導体ピクセルを光混合中に変調できる限定周波数もまた、装置の奥行測定分解能を制限する。さらに、このシステムは、周辺光からの浸潤を受けやすく、これによって距離測定に誤差が生じる。

0010

光ホモダイン検出を用いる、周波数変調連続波(FMCW)測距のようなレーザ測距のためのコヒーレント法は、記載される他の光測距法のすべてに対して、距離、距離測定精度、および周辺光条件での動作に改良を提供しうる。そのようなシステムにおいて、発光の周波数は直線的に変調され、ビームは2つに分けられ、1つのビームは測定標的に向かい、他方は局部発振(LO)を形成する。標的から戻ってくる光は、光検出器の表面上でLOビームと混合されて光学干渉パターンを提供し、これは、標的について詳細な距離情報を提供するように処理されうる。p−i−nフォトダイオードのような二乗検波器(square-law point detector)において、これらの干渉縞は、特異的なうなり周波数として明らかであり、ここにおいて検波器光電流が変調される、すなわち、光の変調周波数並びに標的までの距離に比例する。そのようなシステムは、特許文献2および3に記載される。

0011

FMCWシステムは、低いレーザパワーレベルを用いて正確な距離測定を提供することができる。これらのシステムは、回転ミラーに接続され、表面上に光を走査し、周囲の距離マップを生成しうる。しかしながら、そのようなシステムは通常、光学的構成の複雑さおよび自由空間光通信を用いる実施形態において必要とされる正確な光学的公差のために比較的高価である。そのようなシステムの実施形態はまた、光ファイバ部品を用いて実践しうるが、これらはかさばる傾向にあり、自由空間設計よりも製造がわずかに複雑でないだけである。

先行技術

0012

米国特許第7,361,883号明細書
米国特許第7,139,446号明細書
米国特許第8,687,173号明細書

発明が解決しようとする課題

0013

したがって、測定分解能および費用妥協せず、環境アーチファクト(environmental artifacts)を受けづらく、コンパクトサイズを保持し、安価に製造できる、距離測定センサが必要とされる。以下の開示は、これらの必要条件を満たすFMCW距離測定センサを説明する。

課題を解決するための手段

0014

本開示は、フォトニック集積距離測定ピクセルおよび距離測定方法に関する。

0015

ある態様に従って、距離測定ピクセル装置は、以下を備える:(a)(i)その上に配置されるフォトニック集積回路基板、(ii)第1および第2の出力ポートおよび第1および第2の入力ポートを有する第1の3dB方向性結合器、(iii)第1および第2の出力ポートおよび第1および第2の入力ポートを有する第2の3dB方向性結合器、を含む、共通の基板上に配置されたフォトニック集積回路であって、第1の3dB方向性結合器の第2の入力ポートが、第2の3dB方向性結合器の第1の入力ポートに直接光学的に接続される、フォトニック集積回路;(b)第1の3dB方向性結合器の第1の出力ポートに光学機械的に接続される第1の側面を有するGRINレンズ;(c)GRINレンズの第2の側面に光学機械的に接続される第1の側面を有する部分反射ファラデーミラー;(d)第1の3dB方向性結合器の第1の入力ポートに光学的に接続される出力を有するソースレーザ;(e)第2の3dB方向性結合器の第1の出力ポートに光学機械的に接続される第1の光検出器;および(f)第2の3dB方向性結合器の第2の出力ポートに光学機械的に接続される第2の光検出器。

0016

ある実施形態によれば、ピクセル装置中の第1の方向性結合器の第2の出力ポートおよび第2の方向性結合器の第2の入力ポートは、光学的に終端である。

0017

別の実施形態によれば、ソースレーザはレーザダイオードである。

0018

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力直線偏光である。

0019

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域である。

0020

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、線形チャープである。

0021

別の実施形態によれば、ソースレーザは、≦1MHzの線幅を有する分布帰還型DFB)または分布ブラッグ反射(distributed Bragg Reflector)(DBR)レーザである。

0022

別の実施形態によれば、ソースレーザ出力は、周波数変調連続波フォーマットにある。

0023

別の実施形態によれば、GRINレンズは、ロッドの形態である。

0024

別の実施形態によれば、第1および第2の光検出器は、自動平衡差動信号検出を行うように電気的に構成される。

0025

別の実施形態によれば、部分反射ファラデーミラーは、第1の3dB方向性結合器の第1の出力ポートからの発光の0.1%〜50%を反射する。

0026

別の実施形態によれば、ピクセル装置はさらに、ソースレーザとフォトニック集積回路との間に配置された光アイソレータを含む。

0027

別の実施形態によれば、ソースレーザおよびフォトニック集積回路は、共通の基板上に配置される。

0028

別の実施形態によれば、光検出器は、フォトニック集積回路内に一体的に作製される。

0029

別の実施形態によれば、ピクセル装置はさらに、部分反射ファラデーミラーの光学的下流に配置された集光部品を含む。

0030

別の実施形態によれば、距離測定ピクセルと遠隔オブジェクトとの間の距離を測定する方法は、以下の工程を含む:(a)請求項1に記載されるような距離測定ピクセル装置を提供する工程;
ソースレーザからの周波数変調光ビームを生成する工程;(b)ソースレーザからの周波数変調光ビームを、双方向性結合器の第1の入力ポート中に接続し、第1の3dB双方向性結合器の第2の出力ポートにおいて光の半分が消え、残りは第1の3dB双方向性結合器の第1出力ポートにおいて出力される、工程;(c)部分反射ファラデーミラーから反射された光の所定の部分をGRINレンズおよび第1の方向性結合器の第1の出力ポート中に集め、局部発振(LO)光ビームを形成する工程;(d)残った周波数変調光ビームを、部分反射ファラデーミラーを介してかつ徐々に集光する集光光学部品に向けて伝送する工程;(e)集光光学部品を用いて、部分反射ファラデーミラーを介して、GRINレンズにおよび続いて第1の双方向性結合器の第1の出力ポートに、徐々に集光された光を交差させる遠隔オブジェクトから反射された光を集め、エコー光ビームを形成する工程;(f)第2の方向性結合器の2つの出力ポートにおいて等分される、第2の3dB双方向性結合器の第1の入力ポートに向かって、複合LOおよびエコー光ビームを方向付ける工程;および(g)第2の方向性結合器の各出力ポートにおける複合LOおよびエコービームを光検出器の表面上に供給する工程であって、LOおよびエコー信号の光混合によって、エコーの距離をコード化する周波数において各光検出器の光電流の変調が生じる、工程。

0031

本発明のこれらのおよび他の態様が、以下に説明される実施形態から明らかであろう。

図面の簡単な説明

0032

本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルを概略的に示す図
本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルを形成するフォトニック集積回路を概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、レーザとフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のためのアプローチを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、光検出器とフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のための異なるアプローチを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、光検出器とフォトニック集積回路との間の光学機械的接続のための異なるアプローチを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、距離を示す周波数変調連続波(FMCW)法および検出された距離と距離分解能との間の関係を概略的に示す図
本発明の実施形態に従った、距離測定ピクセルから遠隔オブジェクトおよび背面までの光経路を概略的に示し、ノイズ低減特徴を強調する図
本発明の例示的な実施形態に従った、2つの互いに直交する軸に沿って光を走査することができる複合走査MEMSミラーに光学機械的に接続される距離測定ピクセルを含む3Dスキャニングおよびマッピングシステムを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、第2の直交軸に沿って筐体を回転できるモータに機械的に接続された筐体内に配置された、1つの軸に沿って光を走査できる複合走査MEMSミラーを有する同様のシステムを概略的に示す図
本発明の例示的な実施形態に従った、1つの軸に沿って回転できるモータに機械的に接続され、かつ、第2の互いに直交する軸に沿って回転できる第2のモータに機械的に接続された筐体内に配置される、ミラーに光学機械的に接続される距離測定ピクセルからなる3Dスキャニングおよびマッピングシステムを概略的に示す図

実施例

0033

以下の説明において、本明細書に開示される様々の特定の実施形態を明確に説明するために多くの特定の詳細が述べられる当業者は、現在請求される発明が、以下に議論される特定の詳細のすべてがなくても実施しうることを理解するであろう。

0034

図1および図2は、距離測定ピクセル10を示す。図1に示されるフォトニック回路と必ずしも同じ基板上でなくてもよいレーザは、単一周波数レーザダイオード12であり、これは、近赤外、中赤外、または長波長赤外スペクトル領域において直線偏光を照射し、チャープとなりうる;すなわち、レーザの注入電流、温度、利得媒質バイアス電流キャビティ長、あるいは4つ全ての組合せを変調することによって、中央周波数周りに集められた周波数の範囲において放射線を発するように調節されてもよい。変調波形は、レーザの発光周波数が所定の時間に亘って直線的に変調されるように制御される。レーザ12は、照射されたレーザ光線伝搬できる導波路を有するフォトニック集積回路14(図2においてより詳細に示される)に光学機械的に接続され、第1の入力ポート18、第2の入力ポート20、第1の出力ポート22、第2の出力ポート24を有する第1の3dB方向性結合器16;第1の入力ポート28、第2の入力ポート30、第1の出力ポート32、第2の出力ポート34を有する第2の3dB方向性結合器26を形成するように構成される。レーザ12からの光は、第1の方向性結合器16の第1の入力ポート18中に送られ、等分の光が第2の出力ポート24に向かって送られ、第2の入力ポート24の適切な末端によって消されるのに対し、光の他の半分は第1の出力ポート22中に送られて照射される。

0035

導波路と自由空間との間で光を効果的に接続するための屈折率勾配(GRINロッドレンズ36が、第1の方向性結合器の16の第1の出力ポート22に光学機械的に接続され、これによって、照射されたレーザ光が、屈折率勾配ロッドレンズ36に光学機械的に接続される部分反射ファラデーミラー38に向かって送られる。部分反射ファラデーミラーは、屈折率勾配ロッドレンズの外方を向く表面上の光磁気材料を、屈折率勾配ロッドレンズに戻るレーザ光線の所定の部分を反射する物質40でコーティングすることにより形成され、レーザ光線の残りは、光を遠隔オブジェクトに向かって送る集光光学系42に向かって伝送される。反射された光の部分は、ポート22で照射されたレーザ光線の0.1%〜最大50%でありうる。部分反射ファラデーミラー38からの反射光は、局部発振(LO)信号となる。

0036

遠隔オブジェクトから反射した光が集められ、部分反射ファラデーミラー38および屈折率勾配ロッドレンズ36を介して集光光学系42に戻り、エコー信号として第1の方向性結合器16の第1の出力ポート22に送られる。第1の方向性結合器16の第1の出力ポート22は、LOおよびエコー光ビームを同時に含む。複合LOおよびエコー信号の半分が第1の入力ポート18に向かって戻され、レーザ12と第1の方向性結合器の入力ポート18との間に配置される光アイソレータによって消されてもよい。複合LOおよびエコー信号の他の半分は、第2の方向性結合器26の第1の入力ポート28と一致する第1の方向性結合器の第2の入力ポート20に送られる。第2の方向性結合器26の複合LOおよびエコー光信号の等しい部分が、第1の出力ポート32および第2の出力ポート34に送られる。2つの出力ポート32および34における光信号間エバネッセント波結合によって、互いに関して90°だけ光学的に位相シフトされた元の複合LOおよびエコー信号の四分の一をそれぞれ伝送する。レーザ12の発光波長においてスペクトル反応を有する光検出器44および46は、出力ポート32および34に接続され、光検出器表面上における複合LOおよびエコー光信号の光学的混合によって、距離測定ピクセルに関してエコー光信号の発生源の距離をコード化する周波数において各光検出器44および46の光電流の変調を生じる。距離測定のこの方法は、図5および6に詳述される。

0037

図2は、より詳細にフォトニック集積回路を示す。GRINロッドレンズ36および部分反射ファラデーミラー38は、シリコン光ベンチ技術を用いてフォトニック回路内に統合されてもよい。半導体製造法を用いて、フォトニック集積回路基板2上に非常に正確な溝およびアライメントホールが形成されてもよく、その内部には、屈折率勾配ロッドレンズ36、部分反射ファラデーミラー38のような自由空間光学部品が配置されてもよい。フォトニック回路基板はまた、光アイソレータ54を組み込んでもよい。3dB結合器のための導波路が、レーザ光線に透明な適切な材料層を用いてシリコンまたはガラスのような基板上に形成されてもよい。例えば、近赤外から長波長赤外スペクトルにおけるコアおよびクラッド材料としてSi3N4およびSiO2を用いてもよく、近赤外から中赤外スペクトルにおけるコアおよびクラッド層についてSiおよびSiO2を用いてもよい。

0038

図3A−3Cは、レーザ12をフォトニック集積回路14に光学機械的に接続するために使用しうるさまざまの方法を示す。レーザ12は有利には、フォトニック回路14と別個パッケージで≦1MHzの線幅を有する分布帰還型(DFB)または分布ブラッグ反射(DBR)レーザであってもよく、図3Aに示されるように入力ポート18に先端で接続された(butt-coupled)研磨ファイバ面を有する偏光保持ファイバピッグテールを用いて方向性結合器16の第1の入力ポート18に接続される。レーザ12は、統合された光アイソレータを含んでもよく、レーザパッケージ並びにフォトニック回路はどちらも、平らな硬い基板56上に配置されてもよい。

0039

あるいは、レーザダイ100は、それ自体のそれぞれの基板材料で予め作製されて図3Bに示されるようにフォトニック回路基板に結合されてもよく、当該技術においてよく開発された先端接続またはエバネッセント結合を用いて入力導波路ポート18に光学的に接続されてもよい。レーザ102はまた、III−V半導体材料104のようなレーザ利得媒質をフォトニック回路基板2に結合することによってフォトニック回路中に直接形成されてもよく、図3Cに示されるように、フォトニック回路基板2中にはレーザキャビティが米国特許第8,620,164号明細書に見られるように形成される。

0040

同様に、図4Aおよび図4Bは、光検出器44および46とフォトニック回路14との間のさまざまの光学機械的接続法を示す。光検出器は、硬いプリント回路基板52上で信号増幅回路と共にアセンブリ中でパッケージ化されてもよい。フォトニック回路14は、出力ポート32および34が位置合わせされ光検出器の表面に先端接続されるように位置合わせされてもよく、プリント回路基板52に結合されてもよい。ファイバピッグテールはまた、出力ポート32および34の間の光学的接続として用いられてもよい。

0041

あるいは、光検出器は、基板材料を不純物物質で適切にドープすることにより、または、レーザ光線へのスペクトル反応を用いた感光性材料エピタキシャル膜堆積を介して、フォトニック回路の一部として直接形成されてもよい。これらの材料は、Si、InGaAs、およびGeを含みうる。光検出器44および46は、それらの光電流がキャンセルするようにバランス型構成で電気的に接続されてもよい。この場合、各フォトダイオードに当たるDC光出力を均等にする必要がある。これが行われる場合、平衡対フォトダイオードの有効出力は、ビームの1つの強度に差異が生じるまではゼロである。これが起こると、当該対が「不平衡」となり、ネット信号が出力に生じる。2つのビームの強度を平衡化するしばしば退屈な手動の課題を避けるために、自動平衡回路を用いてもよい。

0042

図5は、距離測定ピクセル内で用いられる距離測定法についてのさらなる詳細を提供する。レーザ12は、周波数変調連続波フォーマット(FMCW)中に搭載され、光学的放射の瞬間周波寸は、dFによって周期的にシフトされる。周期的および線形周波数チャープは、注入電流、接合部温度利得領域のバイアス電流への鋸歯変調の適用、またはこれらの方法の任意の組合せによって実践されうる。レーザ出力は光アイソレータ54を通過し、レーザキャビティに戻る反射からの低下を防止する。遠隔オブジェクトからの反射チャープエコー光および部分反射ファラデーミラー38から反射されたチャープLO光を光検出器44および46の表面上に組み合わせるまたは光学的に混合することにより、ファラデーミラーから反射された周波数チャープパルスの差である「うなり(beat)」周波数において各検出器の光電流の変調が生じる;すなわち、LO信号およびオブジェクトから反射されたエコー信号である。光検出器における光混合プロセスから生じるうなりトーンの周波数は、以下のFMCW系のレンジ分解能(dR)方程式により説明されるように、標的距離、周波数チャープ、およびチャープ時間に比例する:
dR=c/2dF、
ここで、cは空中の光の速度であり、dFはレーザパルス内の周波数チャープである。生じるうなり周波数トーンは、レーザの直線的周波数変調チャープdF、チャープパルス持続時間Tp、およびレンジDの関数である:
Fb=(dF/Tp)*(2D/c)、
ここで、Fbはうなり周波数であり、cは空中の光の速度である。

0043

光検出器44および46におけるLOおよびエコー光信号の光学的混合に続いて、電子回路によって検出後プロセシングを行ってもよく、これには、うなり周波数内でコード化される距離をデコードするための、時間平均バンドパスフィルタ(BPF)、FMCW復調増幅アナログデジタル変換、および高速フーリエ変換FFT)プロセシングが含まれてもよい。これらの成分のセットの一部またはすべては、フォトニック回路中に、または、プリント回路基板のようなフォトニック回路と共に別個の硬い基板上にフォトニック回路と同じ場所に配置されるサブシステムとして組み込まれてもよい。

0044

本発明が、周囲からの偽信号、およびフォトニック回路内の光学的インターフェースからの後方反射を低減する方法が、図6に強調される。第1の3dB結合器16の第1の出力ポート22における直線偏光90出力は、屈折率勾配ロッドレンズ36を通過し、部分反射ファラデーミラー38に向かって送られる。光磁気材料を通過すると、直線偏光は、45°の時計回り偏光回転を受け、所定の部分が反射されてLO信号を形成する前に、右円偏光となる。反射光92は、光磁気材料の第2の通過を行い、別の45°時計回りの偏光を受けて、元の直線偏光に直角の偏光を有する部分反射ファラデーミラーから出てきて、屈折率勾配ロッドレンズ36を介して第1の3dB連結器の第1の入力ポート22に戻される。同様の態様において、部分反射ファラデーミラー38を通って伝送される光94の部分は、右円偏光を有してオブジェクトに向かって距離測定ピクセルから出てくる。オブジェクトが複屈折でない場合には、オブジェクトからの反射に基づいて、反射されたエコー光94は、右円偏光を保持し、集められて部分反射ファラデーミラー38に戻される。部分反射ファラデーミラーを通って伝送されるエコー光の部分もまた、光磁気材料の第2の通過を行い、別の45°の時計回りの偏光回転を得て、LO信号の偏光状態適合する。同じ偏光状態を有するLOおよびエコー信号はいずれも、上述したようにフォトニック回路に戻され、2つの光検出器44および46のそれぞれの表面上で混合され、エコー信号の距離をコード化するうなり周波数を生じる。同じ偏光を有する光信号の混合は、直交する偏光状態を有する信号よりも効果的に行われることが当該技術においてよく知られる。例えば、第1の方向性結合器16の第1の出力ポート22と屈折率勾配ロッドレンズとの間で生じうるフレネル反射のようなフォトニック回路内の光学的インターフェースからの後方反射によって、部分反射ファラデーミラーの二重通過は起こらず、したがって、それらは回転される偏光状態は有しない。その結果、直角偏光LO光信号による混合効果が著しく低減され、したがって、生じる任意のうなり周波数が最小化される。実施される本発明によって、LOおよびエコー光信号が同じ偏光状態を有することが確保され、さらに、光検出器において測定された所望のうなり周波数が最大振幅を有することが確保される。

0045

距離測定ピクセル10は、超小型の距離測定システムを形成し、これは、距離を正確に測定するが、既存の高精度FMCWおよび他のレーザ測距システムについてと同様に、高価な光学、電子回路、および作製における光学位置合わせ工程を必要としない。有利には、単一の距離測定ピクセルを複合MEMS走査ミラー70と接続し、図7Aおよび7Bに示されるように、非常に安価で広角の(>120°)3Dレーザスキャニングおよびマッピングシステムを作成してもよい。MEMSミラーは、2つの独立した軸120および122に沿って振動または回転してもよく、図7Aに示されるように、ミラー70の少なくとも1つの回転軸が、距離測定ピクセルの光学軸に対して45°の角度であるように配置されてもよい。本明細書に記載される配置は、単純な例示的配置を示すだけであることが意図される。当業者にとって、MEMS70と距離測定ピクセル10との間で光を接続するために他の光学的配置を用いてもよいことが明らかであろう。MEMSミラー70は、標的オブジェクト上に距離測定ピクセルから出るチャープレーザ光94を走査し、反射したエコー光96をピクセルに戻るように向け直す。2つの互いに直交する軸に沿ってレーザビームラスター走査することによって、オブジェクトの3Dマップが作成されうる。

0046

あるいは、本発明の距離測定ピクセル10を用いて、同様に安価で、高性能の3Dスキャニングおよびマッピングシステムを作成してもよい。これは、図7Bに示されるように、第1の軸128に沿って振動できるMEMSミラー72に接続されてもよい。距離測定ピクセル10およびMEMSミラー72は、共通の硬い基板56上に共に配置されてもよく、MEMSミラーの回転の軸に直交する第2の軸130に沿って距離測定ピクセルおよびMEMSアセンブリを正確に回転できる小型モータ76に機械的に接続される、筐体74内に配置されてもよい。そのようなシステムは、少なくとも1つの次元において、360°視野のスキャニングが可能かもしれない。

0047

図8は、距離測定ピクセル10を用いた3Dスキャニングおよびマッピングシステムの別の実施形態を示す。この配置において、距離測定ピクセル10から放射されたチャープレーザ光は、小型モータ82に機械的に接続されたミラー80を用いて第1の軸132に沿って走査される。ミラー80は、楕円形状面を有してもよく、楕円形の面がモータ82の回転の軸に対して45°となるようにモータ82に機械的に接続される。ミラーおよびモータアセンブリは、距離測定ピクセルに関して配置され、距離測定ピクセルおよび集光光学部品の光学軸が、モータ82の回転の軸と同一線上である。距離測定ピクセル10、ミラー80およびモータ82は、筐体84内に配置されてもよく、筐体84は、モータ82の回転軸に直角でありうる第2の軸134に沿って回転できる第2のモータ86に機械的に接続され、少なくとも1つの次元において、360°視野を有する3Dスキャニングおよびマッピングシステムを作成しうる。

0048

図7A−7B及び図8に説明されるシステムは、<600cm3の全容積を有し、これは、実質的に既存のレーザ走査システムのもの未満である。ミラー開口のサイズは、システムが距離測定を行うよう設計される所望の範囲に依存しうる。より長い距離範囲に亘る測定は、より大きい集光性能、したがって、より大きいミラー開口を必要とする。≦1センチメートルの距離分解能において、10メートル〜150メートルの最大範囲について、1−10ミリメートルの直径が適切なミラーサイズでありうる。≦100mWのCW出力パワーにおいて、レーザ波長は有利には≧1300nmでありうる。

0049

現在の最新式3Dレーザスキャニングおよびマッピングシステムと比較して、本開示の距離測定ピクセル10および距離測定ピクセルに基づく3Dスキャニングおよびマッピングシステムの配置の利点は、以下のようである:(1)容積が103倍低減する、(2)価格が10倍安くなる、(3)きわどい光学的位置合わせが必要とされない、(4)振動耐性、(5)後方反射および周囲からの迷光により影響されない。さらに、距離測定ピクセル/MEMSミラー3Dスキャニングおよびマッピングシステムの別の顕著な特徴は、MEMSを最適化2Dパターンで走査するようにプログラムし、まず全体の標的領域をざっと走査し、次いで、改良された分解能および/またはより高い信号対雑音比のために標的の特定の領域に選択的に集中できるということである。

0050

特許法の要件に従って本発明を説明したが、当業者であれば、特定の要件または条件を満たすために本発明にどのように変化および変更を行うかを理解するであろう。そのような変化および変更は、本明細書に開示される本発明の範囲および原理から逸脱せずに行いうる。

0051

上述の例示的な実施形態の詳細な説明は、法律の要件に従って説明および開示のために提示される。網羅的であるかまたは記載されるまさにその形態に限定されることを意図するものではなく、当業者が、本発明をどのようにして特定の使用または実践に適応させうるかを理解できるようにするために過ぎない。変更およびバリエーションの可能性は、当業者にとって明らかであろう。例示的な実施形態の説明によって制限することは意図されず、これらは、許容範囲特徴寸法、特定の動作条件工業規格、などを含んでもよく、実践の間で変化するまたは最新技術への変化を有してもよく、制限の意味は含まれない。本出願人は、現在の最新技術に関して本開示を行ったが、進歩およびこれらの進歩を考慮に入れた、すなわち、その時の最新技術に従った、将来の適応をも考慮する。本発明の範囲は、記載される請求項および適用できる均等物によって定められることが意図される。単数での請求要素への参照は、そのように明示される場合を除いて、「1つおよびただ1つ」を意味することを意図しない。さらに、本開示において、要素、成分、方法または処理工程は、当該要素、成分、または工程が請求項に明示されているか否かに関わらず、公に解放されることを意図しない。本出願における請求要素は、当該要素が「〜のための手段(means for)」という用語を用いて明白に述べられる場合を除いて、35U.S.C.112、第6パラグラフの下で解釈されず、本出願における方法および処理工程は、当該工程が「〜の工程を含む」という用語を用いて明白に述べられる場合を除いて、上記の規定の下で解釈されない。

0052

10距離測定ピクセル
12レーザ
14フォトニック集積回路
36屈折率勾配ロッドレンズ
38部分反射ファラデーミラー
44光検出器
46 光検出器
56 基板

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