JP7510641B2 - ３次元センシングシステム - Google Patents

Description

本実施の形態は３次元センシングシステムに関する。

車両等の周囲に存在する測定対象物までの距離や形状を検出するレーダ装置が提案されている。

例えば、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）方式を用いた従来のレーダ装置は、ビーム走査に機械可動部を伴うため、大きさや重量、精度、信頼性、寿命などに課題がある。特に、車両に搭載する場合には、精度や信頼性、寿命はもちろんのこと、実装できるスペースの関係で大きさや重量にも厳しい制約が課せられることが多く、すべての要求を同時に達成することは難しい。

また、レーザー光源の駆動・制御に加え、ビーム走査のための駆動回路やその制御回路が必要となる。場合によっては、ビームの出射方向を監視するための機構・回路も必要となる。

レーザー光源から出たビームは、ある角度の広がりを持つので、ビーム走査部分へ入射させる前にレンズなどの何らかの集光光学系が必要であり、その大きさ・重量・取り付け精度などが問題となる。

単純なラスター方式の操作では、走査両端部のビーム到来時間密度が高く、センシングの関心度の高い中央部分の時間密度は低下する。さらに、移動状況や環境に応じて検知領域を変化させ、そこだけ走査したり、同時に複数の領域を走査したりできることが望ましいが、単純なビーム走査技術で対応するのは難しい。

センシング空間全域に向けてパルス状の照明光を放射しその反射光をイメージセンサで受光することで画素毎に距離を算定するいわゆるフラッシュＬｉｄａｒ（Flash Lidar）方式も、センシング方法としては有望であるが、例えば自動運転時のセンシングに必要とされるような遠距離には対応できない。また、光パターン投影を用いる構造化光（Structured Light）方式も、遠距離でのセンシングには向かない。それぞれ光源と撮像素子を用いる点では共通しているが、光源に対する要求が異なるので共用はできない。

どの方式にもそれぞれ利点と欠点があり、状況に合わせて適切な方式を選ぶのが現実的である。

その一方で、次世代型の半導体レーザー光源として、フォトニック結晶面発光レーザーが提案されている。

特許第３６５９２３９号公報 特許第６０８０９４１号公報 特許第６０８３７０３号公報 特許第５７９４６８７号公報 特許第６３０５０５６号公報

Ｖｅｌｏｄｙｎｅ，"Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｌｉｄａｒ"、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.velodynelidar.com/lidar/lidar.aspx＞

本実施の形態は、高精度、高出力、小型化、堅牢性を有するとともに、センシング領域やセンシング対象への適応性が高く、複数のセンシングモードに対応可能な３次元センシングシステムを提供する。

本実施の形態の１つの態様によれば、測定対象物に対してレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイを備える信号送信部と、前記信号送信部から出射され前記測定対象物で反射した反射光を受光する光学系およびイメージセンサを備える信号受信部と、ＬｉＤＡＲ動作モードと、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードと、光切断法動作モードとを含む、前記レーザー光の光源の動作モードを制御する制御部と、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射された前記レーザー光の出射方向を認識する送信方向認識部と、前記動作モードに従って、前記送信方向認識部が認識した前記レーザー光の出射方向を基に前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部と、前記動作モードに従って、前記イメージセンサの撮像面での受光位置と出射から受光までの時間とから前記測定対象物までの距離を算定する距離検出部とを備える信号処理部とを備え、前記信号送信部は、出射した前記レーザー光のフィードバック制御を行うフィードバックフォトダイオードアレイをさらに備え、前記送信方向認識部は、前記フィードバックフォトダイオードアレイからのフィードバック情報に従って、前記信号送信部から出射された前記レーザー光の出射方向を認識する、３次元センシングシステムが提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、特定の領域の全面に対してレーザー光を出射するフラッシュ光源と、前記特定の領域のうち狙った領域に対してレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイと、フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとを組み合わせたレーザー光源の動作モードを制御する制御部と、前記制御部によって制御される前記動作モードに従って、前記フラッシュ光源の駆動制御を行うフラッシュ駆動部および前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部と、前記フラッシュ光源から出射されたレーザー光が前記特定の領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信し、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射されたレーザー光が前記狙った領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信する信号受信部と、前記動作モードに従って、前記信号受信部が受信した前記反射光を信号処理する信号処理部と、前記動作モードに従って、前記信号処理部が処理した信号に対して、前記測定対象物までの距離の算定処理を行う距離検出部とを備え、前記信号処理部は、前記フラッシュ光源から出射されて反射してきた反射光の信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域が前記特定の領域内にあるか否かを判定し、前記信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域がある場合、前記信号処理部は、前記信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域のみを狙って、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイからスポット的に前記レーザー光を照射するように前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部を制御する、３次元センシングシステムが提供される。

本実施の形態によれば、高精度、高出力、小型化、堅牢性を有するとともに、センシング領域やセンシング対象への適応性が高く、複数のセンシングモードに対応可能な３次元センシングシステムを提供することができる。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルの模式的鳥瞰構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、裏面にフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を透過する透明電極若しくはＤＢＲ層を備える構成の模式的鳥瞰構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を示す平面図、（ｂ）光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、（ｃ）光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、（ｄ）空孔２１１が配置された状態を示す平面図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、（ａ）出射光Ａ，Ｂの模式図、（ｂ）同一平面上に存在する出射光Ａ，Ｂが回転する様子を説明する模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、正方格子からなる光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を示す平面図、（ｂ）斜方格子からなる光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、（ｃ）光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、（ａ）出射光Ａ，Ｂのレーザー光強度Ｌと注入電流Ｉとの関係を示す出力特性の模式図、（ｂ）裏面にフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を透過する透明電極（若しくはＤＢＲ層）およびレーザー光Ｃ（ＦＢ）を検出するフォトダイオード１１８ＰＤを備える構成の模式的構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイと、２次元フォトダイオードセルアレイとを組み合わせたフィードバック制御機構を説明する模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイと、２次元フォトダイオードセルアレイとを透明電極を介して積層化し組み合わせたフィードバック制御機構を説明する模式的構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの模式的平面構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトダイオードセルアレイの模式的平面構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムの概要を説明する模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、３つの動作モードの距離算定手順を説明する動作フローチャート図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、３つの動作モードを説明する動作フローチャート図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムのＬｉＤＡＲ動作モードにおいて、（ａ）出射光Ａ，Ｂに対する反射光ＲＡ，ＲＢをイメージセンサで検出する動作原理を説明する模式図、（ｂ）反射光ＲＡ，ＲＢを検出するイメージセンサの概念図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムのフラッシュＬｉＤＡＲ動作モードにおいて、（ａ）出射光ＦＬに対する反射光ＲＦＬをイメージセンサで検出する動作原理を説明する模式図、（ｂ）反射光ＲＦＬを検出するイメージセンサの概念図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムの光切断法動作モードにおいて、（ａ）回転するストライプ状出射光ＳＴに対する反射光ＲＳＴをイメージセンサで検出する動作原理を説明する模式図、（ｂ）反射光ＲＳＴを検出するイメージセンサの概念図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムの光切断法動作モードにおいて、回転するストライプ状出射光ＳＴに対する反射光ＲＳＴをイメージセンサで検出する動作の詳細を説明する図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、ＬｉＤＡＲ動作モードのフローチャート図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードのフローチャート図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、光切断法動作モードのフローチャート図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムの模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例１に係る３次元センシングシステムの模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例１に係る３次元センシングシステムの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例２に係る３次元センシングシステムの模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例２に係る３次元センシングシステムの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例３に係る３次元センシングシステムであって、タイムオブフライト（ＴＯＦ）測距システムの模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能なイメージセンサ（エリア）の模式的ブロック構成図。 （ａ）本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される双ビーム配置例の模式図、（ｂ）中央ビームとそれに隣接するビームの模式的拡大図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される双ビーム配置例であって、円の最稠密充填パターンを利用するビーム配置例の模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される円の最稠密充填パターンを利用する双ビーム例において、（ａ）センシング範囲を表す球面の一部における最大水平角度ＭＨＤ、最大垂直角度ＭＶＤの説明図、（ｂ）ビーム発散角ＢＤＡおよびビームの中心位置を表す正三角形配置の説明図、（ｃ）レーザービームの配置の例。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、（ａ）反射光Ｒを受光する受光システム（１６、１８）の模式図、（ｂ）図３０（ａ）のイメージセンサの模式図。 比較例に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの各セルに等しい電流値を注入しても方向（位置）によって光強度に差が生じる例を説明する模式図であって、（ａ）各セル１２１，１２２，１２３，１２４に等しい電流値Ｉを注入した場合のビームＢＭの放射の様子を示す図、（ｂ）ビームＢＭの放射角度θ＝０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｃ）θ＝２０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｄ）θ＝４０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｅ）θ＝６０度のときのＦＦＰの様子を示す図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの各セルに位置毎に異なる電流値を注入して、方向（位置）によって光強度を均一化した例を説明する模式図であって、（ａ）各セル１２１，１２２，１２３，１２４に異なる電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を注入した場合のビームＢＭの放射の様子を示す図、（ｂ）ビームＢＭの放射角度θ＝０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｃ）θ＝２０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｄ）θ＝４０度のときのＦＦＰの様子を示す図、（ｅ）θ＝６０度のときのＦＦＰの様子を示す図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの出射ビーム制御例であって、（ａ）１セル内に光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、（ｂ）１セルの模式的平面図、（ｃ）一軸方向の走査を実現する電極配置の構成例。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの出射ビーム制御例であって、（ａ）位置を示すパラメータｒ₁，ｒ₂と角度θとの関係を示す図、（ｂ）一軸方向の走査を実現する電極配置の別の構成例。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの出射ビーム制御例であって、（ａ）二軸方向の走査を実現する電極配置の構成例、（ｂ）走査方向の模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの出射ビーム制御例であって、（ａ）回転走査を実現する電極配置の構成例、（ｂ）走査方向の模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶層に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を示す平面図、（ｂ）光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、（ｃ）上部電極２５２が配置された状態を示す平面図、（ｄ）上部電極２５２が配置された別の状態を示す平面図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの概念図。 比較例に係るフラッシュＬｉＤＡＲシステムの動作フローチャート。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの動作フローチャート。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源の例であって、照射パターン例の断面の模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源の例であって、照射パターン例の照射面の模式図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例４に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例４に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードに適用可能な２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部とフラッシュ光源駆動部（ＦＬ駆動部）の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例５に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例５に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成図。 本実施の形態の変形例６に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードのタイムオブフライト（ＴＯＦ）測距システムの模式的ブロック構成図。

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[実施の形態]
本実施の形態は、２次元フォトニック結晶面発光レーザー素子並びにその２次元アレイ化素子と撮像素子との組み合わせによる３次元センシングシステムを開示する。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムは、レーザー光を放射状に照射し、測定対象物からの散乱光を受光することで距離と方位を算定する。フォトニック結晶は、レーザービームの自在な制御性を有し、そのため、機械稼働部を設けなくても（ソリッドステート）ビーム方向（レーザー光の出射方向）を自在に制御できる。

特に、フォトニック結晶の持つ、自在な発光制御機能（時間、強度、方向）、高出力、高品質ビーム、小型、堅牢（壊れにくい）、安価などの特徴を活用した複数の動作モードを有する３次元センシング用光源を実現可能とする。

また、フォトニック結晶レーザーの特徴である対称的な出射ビームの制御方法（センシング対象となる領域を満たすためのビーム配置設計方法とそれに対応した発光パターン制御（デバイスの法線方向に出射する単一のビームの場合も含む））を実現可能とする。
本実施の形態に係る３次元センシングシステムは、レーザー光源の動作モードを変化させることで、１つの３次元センシングシステムで次の（１）～（３）の３つのセンシングモードを構成可能である。
（１）ＬｉＤＡＲ：ある方向にレーザー光を出射し、測定対象物からの反射光を捉え、ビーム毎に測定対象物までの距離を算定するセンシングモード（ビーム走査型）。
（２）フラッシュＬｉＤＡＲ：ある領域（センシング空間）に対し一定時間光を照射し、測定対象物からの散乱光を撮像素子で受光し、その撮像素子の画素毎の戻り時間を基に照射領域に測定対象物までの距離を算定するセンシングモード（フラッシュ型）。
（３）構造化光（Structured Light）投影：ある光パターンを測定対象物に照射し、そのパターンの画像と撮像素子で得られた画像との間でマッチングを行い、測定対象物の距離を算定するセンシングモード。

ビームスキャン型ＬｉＤＡＲでは、測定対象物を検知する範囲内にビーム（送出信号）を走査し、測定対象物からの散乱反射光（反射信号）を捉え、どの方向に向けて出した光に対する反射なのかを認識することで方位を算定し、反射して戻ってくるまでの時間から距離を算定する（ＴＯＦ（Time of Flight））。

レーザレーダーに関する種々の技術は、距離や方位を算定する信号処理のロジックとそれに対応するビームの走査方法、そしてその走査を実現するための空間変調の方法への工夫である。空間変調の手段としては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、レーザー光源をアレイ化して（面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）など）それらを点灯制御するなどの方法、或いは、光フェーズドアレイなどの方法がある。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムでは、ビーム走査型のセンシングモードにおいても従来のラスター走査とは異なる走査（回転走査等）が可能である。また、アレイ状の受光素子により、複数のレーザービームからの反射光を区別でき、フラッシュライダーとしても機能する。また、フラッシュ型のセンシングモードにおいても、ある領域のみのセンシングも可能である。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムの発光制御機能は、ソフトウェア制御（プログラム制御）との親和性（センシング領域、複数システムの連携動作、学習制御）が高いので、学習機能などを取り込んだ適応型センシングへも容易に対応できる。これらの特徴により、出射ビームの符号化や複数のシステムの連係動作などの応用にも容易に対応できる。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムは、ソリッドステート式であり、小型で壊れにくく、設置場所の自由度が広がる。また、雑音、干渉への耐性を有する（ハードやソフトで優れた制御性を活用）。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムの発光部は、ビーム走査機構が不要であるため、半導体パッケージレベルの大きさであり、しかも出射ビームを収束させるための光学系（コリメート光学系）も必要ない。従って、自在な方向に独立した駆動条件で出射が可能であり、複数デバイスの連携動作も可能である。また、ＬｉＤＡＲ応用に必要な回転ミラーやＭＥＭＳミラーのようなビーム走査機構も必要としないので、超小型で堅牢かつ設置場所の自由なシステムが実現できる。

［３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザー］
ここでは、特許文献３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザーを用いて説明するが、代わりに特許文献２に記載の変調フォトニック結晶レーザーを用いてもよい。いずれもビーム制御原理は同じであり、本実施形態において、いずれを用いても良い。図１は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザー１２０の模式的鳥瞰構成を例示しており、図２は、該２次元フォトニック結晶面発光レーザー１２０の裏面にフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を透過する透明電極２５１Ｔを備える模式的鳥瞰構成を例示している。

図１および図２は、表面からレーザー光Ａ，Ｂを出射し、裏面からフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を出射する様子を模式的に説明している。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能なフォトニック結晶レーザーは、透明電極２５１Ｔと、下部基板２４１と、第１クラッド層２３１と、２次元フォトニック結晶層２２１と、活性層２２２と、第２クラッド層２３２と、上部基板２４２と、窓状電極２５２とをこの順に積層したものである。本実施の形態におけるフォトニック結晶レーザーでは、レーザービーム（レーザー光Ａ，Ｂ）は、窓状電極２５２の中央部に設けられた空洞（窓）を通って、上部基板２４２の窓状電極２５２側の表面に対する垂線から出射角θだけ傾斜した方向に出射される。尚、２次元フォトニック結晶層２２１と、活性層２２２の順番は上記のものとは逆であってもよい。また、本実施の形態では便宜上、「上」および「下」という語を用いるが、これらの語は実際にフォトニック結晶レーザーを使用する際の向き（上下）を規定するものではない。

本実施の形態では、下部基板２４１にはｐ型半導体のガリウムヒ素（GaAs）を、上部基板２４２にはｎ型ＧａＡｓを、第１クラッド層２３１にはｐ型半導体のアルミニウム・ガリウム砒素（AlGaAs）を、第２クラッド層２３２にはｎ型ＡｌＧａＡｓを、それぞれ用いる。活性層２２２には、インジウム・ガリウム砒素／ガリウムヒ素（InGaAs/GaAs）から成る多重量子井戸（Multiple-Quantum Well; MQW）を有するものを用いる。窓状電極２５２の材料には金を用いる。また、透明電極２５１Ｔの材料には、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃などを用いる。透明電極２５１Ｔの代わりに、絶縁層の多層構造で、レーザー光を透過可能なＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を用いることもできる。尚、これら各層の材料は上記のものには限定されず、従来のフォトニック結晶面発光レーザーで用いられている各層の材料をそのまま用いることができる。また、上記各層の間には、スペーサ層などの他の層が介挿されていてもよい。

２次元フォトニック結晶層２２１は、板状の母材（スラブ）２１４内に空孔（異屈折率領域）２１１を、後述の格子点上に周期的に配置したものである。本実施の形態では、スラブ２１４の材料にはｐ型ＧａＡｓを用いた。空孔２１１の形状は、本実施の形態では正三角形であるが、円形などの他の形状を用いてもよい。尚、スラブ２１４の材料は上記のものには限られず、従来のフォトニック結晶レーザーで用いられているものを用いることができる。また、異屈折率領域には、空孔２１１の代わりに、スラブ２１４とは屈折率が異なる部材（異屈折率部材）を用いてもよい。空孔は容易に加工することができるという点において優れているのに対して、異屈折率部材は加工時の加熱などにより母材が変形するおそれがある場合に有利である。

図３（ａ）は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセル１２０において、２次元フォトニック結晶層２２１に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を例示する平面図であり、図３（ｂ）は、光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を例示する平面図であり、図３（ｃ）は、光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を例示する平面図であり、図３（ｄ）は、空孔２１１が配置された状態を例示する平面図である。

図３用いて、２次元フォトニック結晶層２２１において空孔２１１が配置される格子点について説明する。本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１は、光共振状態形成用フォトニック結晶構造を形成する光共振状態形成用格子２１２Ａ（図３（ａ））と、光出射用フォトニック結晶構造を形成する光出射用格子２１２Ｂ（図３（ｂ））を有する。

光共振状態形成用格子２１２Ａは、格子定数aを有する正方格子から成る。以下、この正方格子において、格子点２１３Ａが間隔ａで並ぶ２方向のうちの一方をｘ方向と呼び、他方をy方向と呼ぶ。従って、格子点２１３Ａのｘ－ｙ座標は、整数ｍおよびｎを用いて（ｍａ，ｎａ）と表される。

それに対して光出射用格子２１２Ｂでは、ｃ₁↑＝（ｒ₁，１）ａおよびｃ₂↑＝（ｒ₂，１）ａの基本並進ベクトルを有する斜方格子が構成される。この斜方格子の格子定数ｃ₁、ｃ₂はそれぞれ、基本並進ベクトルｃ₁↑およびｃ₂↑の大きさである（ｒ₁ ^0.5＋１）ａおよび（ｒ₂ ^0.5＋１）ａであり、ｃ₁↑とｃ₂↑のなす角度αはｃｏｓα＝（ｒ₁ｒ₂＋１）×（ｒ₁ ²＋１）^-0.5×（ｒ₂ ²＋１）^-0.5の関係を満たす。格子点２１３Ｂは、ｙ方向には、光共振状態形成用格子２１２Ａおよび光出射用格子２１２Ｂともに、間隔ａで並ぶ。

本実施の形態では、出射波長λは９８０ｎｍとした。また、２次元フォトニック結晶層２２１の有効屈折率ｎ_effは、スラブ２１４の材料であるｐ型ＧａＡｓの屈折率（３．５５）およびスラブ２１４中で空孔２１１（屈折率１）の占める割合により定まる。本実施の形態では空孔２１１の面積を調整することにより、２次元フォトニック結晶層２２１の有効屈折率ｎ_effは３．５とした。従って、本実施の形態における格子定数ａは、後述する式（３）より２^-0.5×９８０ｎｍ／３．４≒２００ｎｍとする。

本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１では、これら光共振状態形成用格子２１２Ａおよび光出射用格子２１２Ｂを重ね合わせた格子２１２Ｃ（図３（ｃ））の格子点に空孔２１１を配置することにより、フォトニック結晶構造が形成されている（図３（ｄ））。

本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１では、格子点２１３Ｂの位置を示すパラメータであるｒ₁およびｒ₂が、後述する式（１），式（２）を満たす方向にレーザービームが出射される。

図４（ａ）は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセル１２０において、出射光（ビーム）Ａ，Ｂの模式図であり、図４（ｂ）は、同一平面上に存在する出射光Ａ，Ｂが回転する様子を説明する模式図である。

フォトニック結晶構造に周期的な駆動変調を与え、共振作用に加え上方への回折効果も持たせることで、２軸方向の範囲にわたるビーム出射方向制御（ビーム走査）を行うことができる。

図４（ａ）に例示するように、原点Ｏから出射される基本の２つのビームＡ，Ｂ（双ビームともいう）は、同時に出射される。２つのビームＡ，Ｂは、同一の平面ＰＳに存在する。ビームＡ，Ｂは、それぞれ、９０°方向から傾斜角－θおよび＋θの範囲でビームＡ，Ｂの方向を任意に変化させることができる。但し、ビームＡ，Ｂの出射方向は、傾斜角θに関して対称であり、２つのビームΑおよびΒは同時に且つ同出力で出射される。傾斜角θに関して非対称性を導入することで一方のビーム（ビームΑまたはビームΒ）の出力を相対的に減少させることも可能だが、完全に零にまで減少させることはできない。

図４（ｂ）に例示するように、平面ＰＳは、原点Ｏを中心に任意に（例えば、ＰＳ０→ＰＳ１→ＰＳ２の方向に）回転（rotation）することができる。従って、平面ＰＳ内の走査と平面ＰＳの回転とを組み合わせることで、原点Ｏを中心とする円錐内のビーム走査が可能となる。また、同時走査を行うことにより、円錐内で原点Ｏを対称とする２つのビームΑおよびΒで任意の軌跡を描くことができる。さらに、複数の素子アレイにおける複数の双ビーム（Ａ，Ｂ）を独立して制御することができる（例えば、図４（ｂ）に例示した平面ＰＳ１や平面ＰＳ２におけるビームΑ，Βを同時に出射し、それぞれ傾斜角θや回転（rotation）を独立して制御することができる。

具体的な双ビームＡ，Ｂの例としては、１つのビーム（ΑまたはΒ）の広がり角は０．３４°、双ビームＡ，Ｂの出力は１～１０Ｗ、変調可能周波数は数百ＭＨｚ、｜θ｜＜５０°である。厳密には、すべてのビームが原点Ｏから出射されるわけではないが、多くてもμｍ程度の推移であるので、数メートルから数百メートルのセンシング向けのＬｉＤＡＲ応用においては、同一点からの出射と見做してよい。

図５（ａ）は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセル１２０において、２次元フォトニック結晶層２２１に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、正方格子からなる光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を例示しており、図５（ｂ）は、斜方格子からなる光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図、図５（ｃ）は、光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を例示している。

図５（ａ）に例示するような正方格子からなる光共振状態形成用格子と図５（ｂ）に例示するような斜方格子からなる光出射用格子とを重ねあわせた図５（ｃ）に例示するようなビーム走査用フォトニック結晶を用いる。

本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１では、格子点の位置を示すパラメータであるｒ₁およびｒ₂が、次式（１）および（２）を満たす方向にレーザービームが出射される。

ここで、θはフォトニック結晶層の法線に対する傾斜角であり、φはｘ方向を基準とする方位角であり、ｎ_effは有効屈折率である。

また、本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１における格子定数ａは、次式（３）により求められる。

ここで、λは出射波長である。

このように設計された本実施の形態の２次元フォトニック結晶層２２１により、ビームＡ，Ｂの２軸方向への出射が可能になる。

［２次元フォトニック結晶面発光レーザーのフィードバック制御］
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセル１２０において、出射光Ａ，Ｂのレーザー光強度Ｌと注入電流Ｉとの関係を示す出力特性例は、図６（ａ）に示すように模式的に表される。また、裏面にフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を透過する透明電極（若しくはＤＢＲ層）２５１Ｔと、レーザー光Ｃ（ＦＢ）を検出するフォトダイオード１１８ＰＤとを備える２次元フォトニック結晶面発光レーザセル１２０の構成例は、図６（ｂ）に示すように模式的に表される。

図７は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲと、２次元フォトダイオードセルアレイ１１８ＰＤＡＲとを組み合わせたフィードバック制御機構のブロック構成例を模式的に示している。

このフィードバック制御機構は、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲと、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの裏面から出射される各セルからのフィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を検出する２次元フォトダイオードセルアレイ１１８ＰＤＡＲと、２次元フォトダイオードセルアレイ１１８ＰＤＡＲによる検出結果に基づいて２次元フォトダイオードアレイ駆動部１４０ＡＲを制御するフィードバック制御部１３０と、フィードバック制御部１３０による制御に従って、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲを駆動する２次元フォトダイオードアレイ駆動部１４０ＡＲとを備える。

例えば、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの各セルに同じ電流Ｉを注入しても、方向（位置）によって光強度Ｌに差が生じる場合がある。しかし、図７に例示するようなフィードバック制御機構を構成することで、フィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）から２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲ内の光強度Ｌのばらつきを検出し、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲのセル毎に注入電流Ｉを変えるように駆動制御することで、光強度Ｌを均一化することができる。

図８は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおける、フィードバック制御機構の別の構成例を模式的に示す。図８に例示するフィードバック制御機構は、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲと２次元フォトダイオード（２ＤＰＤ）セルアレイ１１８ＰＤＡＲとの間に透明電極（若しくはＤＢＲ層＋透明電極）２５１Ｔを介入して積層化し組み合わせた例を示している。

尚、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの平面構成例は、図９に示すように模式的に表され、２次元フォトダイオードセルアレイ１１８ＰＤＡＲの平面構成例は、図１０に示すように模式的に表される。

図９に例示するように、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲは、ｎ列×ｍ行の２次元フォトニック結晶面発光レーザセルから構成される。例えば、１行目にはｎ個の２次元フォトニック結晶面発光レーザセルＣ₁₁～Ｃ_1nが配置され、２行目にはｎ個の２次元フォトニック結晶面発光レーザセルＣ₂₁～Ｃ_2nが配置され、…、ｍ行目にはｎ個の２次元フォトニック結晶面発光レーザセルＣ_m1～Ｃ_mnが配置される。

また、図１０に例示するように、２次元フォトダイオードセルアレイ１１８ＰＤＡＲは、ｎ列×ｍ行の２次元フォトダイオードセルから構成される。例えば、１行目にはｎ個の２次元フォトダイオードセルＰＤ₁₁～ＰＤ_1nが配置され、２行目にはｎ個の２次元フォトダイオードセルＰＤ₂₁～ＰＤ_2nが配置され、…、ｍ行目にはｎ個の２次元フォトダイオードセルＰＤ_m1～ＰＤ_mnが配置される。

［実施の形態に係る３次元センシングシステム］
（３次元センシングシステムの概略構成）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムの概略構成例は、図１１に模式的に示すように表される。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムは、図１１に例示するように、フォトニック結晶レーザー素子が平面上に配置されたフォトニック結晶レーザーアレイ１０と、レーザー光源の動作モードを制御する制御部１４と、制御部１４によって制御される動作モードに従って、フォトニック結晶レーザーアレイ１０の駆動制御を行う駆動部１２と、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射され測定対象物で反射した散乱反射光を受光する受光部（撮像レンズ１６およびＴＯＦ用イメージセンサ（或いはＴＯＦ計測の機能を有するアレイ状の受光素子、これ以降単にイメージセンサ、アレイ状の受光素子と記す）１８）と、制御部１４によって制御される動作モードに従って、受光部が受光した反射光を信号処理する信号処理部２０と、制御部１４によって制御される動作モードに従って、信号処理部２０が処理した信号に対して、測定対象物までの距離の算定処理を行い、算定結果を距離データＤＭとして出力する距離演算部２２とを備える。

フォトニック結晶レーザーアレイ１０は、図１～図５に例示したようなフォトニック結晶レーザー素子が平面上に配置されたデバイスである。

制御部１４は、３つの動作モード（すなわち、ＬｉＤＡＲ動作モード、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード、光切断法動作モード）に基づいて、各部の動作制御を行う。

駆動部１２は、制御部１４によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射されるビームの駆動制御を行う。

尚、駆動部１２による駆動制御には、図６～１０に例示したフィードバック制御を含む。すなわち、フィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を透過する透明電極若しくはＤＢＲ層（２５１Ｔ）と、フィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）を検出するフォトダイオード（１１８ＰＤ）とをさらに備え、駆動部１２は、フィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）からフォトニック結晶レーザーアレイ１０内の光強度Ｌのばらつきを検出し、フォトニック結晶レーザーアレイ１０のセル毎に注入電流Ｉを変えるように駆動制御することで、光強度Ｌを均一化することができる。

撮像レンズ１６とイメージセンサ（或いはアレイ状の受光素子）１８とを備える受光部は、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射され対象物で反射した散乱反射光を、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ（或いはアレイ状の受光素子）１８で受光する。

信号処理部２０は、制御部１４によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、受光部が受光した反射レーザー光を信号処理して距離演算部２２に送る。ＬｉＤＡＲ動作モードとフラッシュＬｉＤＡＲ動作モードはフォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射された複数のビームからの反射をイメージセンサで捉えその時間計測機能によって距離を算定することにおいて計測原理は等しい。違いは、測定する空間の分解能（位置精度）である。分解能はＬｉＤＡＲモードは出射ビームの出射方向精度、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードはある画角に対する画素の数に依存する。

距離演算部２２は、制御部１４によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置と出射から受光までの時間（到達時間）とから測定対象物までの距離を算定し、算定結果を距離データＤＭとして出力する。

（距離算定処理）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおける３つの動作モードの距離算定手順の例は、図１２に示すように表される。

ステップＳ０において、距離算定処理が開始される。

ステップＳ１において、制御部１４によって制御される動作モードに従って、駆動部１２がフォトニック結晶レーザーアレイ１０の駆動制御を行い、フォトニック結晶レーザーアレイ１０からレーザービームが出射される。より具体的には、３つの動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）／光切断法動作モード（Ｍ３））に従って、双ビームを出射／領域状に出射／光パターンを出射のいずれかが選択されて、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射される。すなわち、動作モードがＬｉＤＡＲ動作モードである場合には１つのレーザー素子を駆動して双ビーム（Ａ，Ｂ）をある方向に出射し、動作モードがフラッシュＬｉＤＡＲ動作モードである場合にはある領域（センシング空間）に対し一定時間光を照射し、動作モードが光切断法動作モードである場合には測定対象物にストライプ状のパターン光を投影する。

ステップＳ２において、受光部（１６、１８）は、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射され測定対象物で反射した散乱反射光を、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ（或いはアレイ状の受光素子）１８で受光する。

ステップＳ３において、制御部１４は、動作モードに従って、ステップＳ４、ステップＳ５、若しくはステップＳのいずれかに処理を振り分ける。より具体的には、動作モードがＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）（双ビームを出射）である場合にはステップＳ４に遷移し、動作モードがフラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）（領域状に出射）である場合にはステップＳ５に遷移し、動作モードが光切断法動作モード（Ｍ３）（光パターンを出射）である場合にはステップＳ６に遷移する。

動作モードがＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）（双ビームを出射）である場合、ステップＳ４において、距離演算部２２は、各ビームから出射されて測定対象物にて反射された反射光を分離し、反射光到達時間から測定対象物までの距離を算定する（ＴＯＦ）。その結果として、ビームの出射された方向に存在する測定対象物までの方向と距離の情報が得られ、距離演算部２２は、ステップＳ５において、距離データＤＭ１（図１３）として出力する。ここで、反射光の分離処理においては、イメージセンサ１８のどのピクセル（画素）で受光したのかを検知することによって反射光を分離する。フォトニック結晶レーザーアレイ１０からの双ビームの出射方向は明らかであるため、それらによる反射光の到来方向も識別可能である。もし何らかの反射光があったとすれば、反射光の到来方向に対応するイメージセンサ１８内のピクセルが受光したか否かを判断し、その到来時間も計測することができる。イメージセンサで分離が可能であれば複数の双ビームを同時に出射することもできる。

動作モードがフラッシュＬｉＤＡＲ（Ｍ２）（領域状に出射）である場合、ステップＳ５において、距離演算部２２は、画素毎の画素位置と反射光到達時間から、画素毎に距離を算定する。その結果として、出射領域に存在する測定対象物までの距離の画素毎の距離情報が得られ、距離演算部２２は、ステップＳ５において、距離データＤＭ２（図１３）として出力する。

動作モードが光切断法（Ｍ３）（光パターンを出射）である場合、ステップＳ６において、距離演算部２２は、測定対象物に投影したストライプ状の撮像パターンにより三角測距を行い、測定対象物までの距離を算定する。その結果として、投影したストライプ状のパターン光に沿った距離情報、ラインを移動させることで測定対象物の立体的なデータが得られ、距離演算部２２は、ステップＳ５において、距離データＤＭ３（図１３）として出力する。

（３次元センシングシステムにおける動作モード）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、３つの動作モードの動作フローチャートの例は、図１３に示すように表される。

ステップＳ１１において、制御部１４は、３つの動作モード（すなわち、ＬｉＤＡＲ動作モード、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード、光切断法動作モード）に基づいて、駆動部１２および距離演算部２２の動作制御を行う。

ステップＳ１２において、駆動部１２は、以下の３つの動作モードに従って、フォトニック結晶レーザーアレイ１０の駆動制御を行う。
（１）ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）：１つのレーザー素子を駆動して双ビーム（Ａ，Ｂ）を、ある方向に出射させる。
（２）フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）：領域に対し一定時間光を照射させる（２つのビームを出射する複数の素子を同時に駆動するか、若しくは、広がり角を制御した単一・複数の素子を同時に出射させる）。
（３）光切断法動作モード（Ｍ３）：複数の素子を同時に駆動して、測定対象物にストライプ状のパターン光を投影させる。

その後、受光部（１６、１８）が、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射され測定対象物で反射した散乱反射光を受光すると、信号処理部２０および距離演算部２２は、動作モードに従って処理を実行する。

具体的には、ステップＳ１３において動作モードがＭ１若しくはＭ２である場合、距離演算部２２は、ステップＳ１４において、画素毎に反射光の到達時間を計測し、さらに、ステップＳ１６において動作モードがＭ１である場合には、距離演算部２２は、ステップＳ１７において、出射ビームとの対応処理を行い、射光到達時間から測定対象物までの距離を算定して距離データＤＭ１として出力する。逆に、ステップＳ１６において動作モードがＭ２である場合には、距離演算部２２は、ステップＳ１４において計測した反射光の到達時間に基づいて求められた情報を距離データＤＭ２として出力する。

一方で、ステップＳ１３において動作モードがＭ３である場合には、距離演算部２２は、ステップＳ１５において、反射光像（撮像パターン）を取得し（画素）、ステップＳ１８において、距離演算部２２は、撮像パターンにより三角測距を行い、測定対象物までの距離を算定し、距離データＤＭ３として出力する。

（ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）の動作原理）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムのＬｉＤＡＲ動作モードにおいて、出射光Ａ，Ｂに対する反射光ＲＡ，ＲＢをイメージセンサ１８で検出する動作原理は、図１４（ａ）に模式的に例示するように表され、反射光ＲＡ，ＲＢを検出するイメージセンサ１８の概念図は、図１４（ｂ）に例示するように表される。

フォトニック結晶レーザーアレイ１０の１つの素子から、その設計に基づく角度仕様に従って２つのビーム（双ビーム）Ａ，Ｂを出射する。図１４（ａ）の例では、出射光Ａは、測定対象物２４Ｔ１にて反射し、反射光ＲＡとして、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８にて受光され、出射光Ｂは、測定対象物２４Ｔ２にて反射し、反射光ＲＢとして、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８にて受光される。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

反射光ＲＡ，ＲＢを検出した場合、距離演算部２２はイメージセンサ１８の撮像面での受光位置（ｘ、ｙ）から出射光Ａ，Ｂのどちらのビームに対する反射光であるのかを判定し、出射から受光までの時間を計測する。例えば、図１４（ｂ）に例示したイメージセンサ１８の受光位置２４Ｉ１は、測定対象物２４Ｔ１からの反射光ＲＡの受光位置に対応し、受光位置２４Ｉ２は、測定対象物２４Ｔ２からの反射光ＲＢの受光位置に対応することを識別可能であることから、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置（ｘ、ｙ）によって出射光Ａ，Ｂのどの方向に対応する反射光ＲＡ，ＲＢであるかを識別することができる。双ビームＡ，Ｂの角度分解能をカバーするのに十分な解像度を備えるイメージセンサ１８であれば、ビーム毎の撮像位置（ｘ、ｙ）の分離は可能である。

距離演算部２２は、以上の情報に基づいて、双ビームＡ，Ｂの出射方向に存在する測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２までの距離を算定する。ここで、測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２までの距離＝光速×到達時間／２である。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムのＬｉＤＡＲ動作モードにおいては、以上の距離算定を、異なる出射方向に対して繰り返し実行する。

（フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）の動作原理）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムのフラッシュＬｉＤＡＲ動作モードにおいて、出射光ＦＬに対する反射光ＲＦＬをイメージセンサで検出する動作原理は、図１５（ａ）に模式的に例示するように表され、反射光ＲＦＬを検出するイメージセンサの概念図は、図１５（ｂ）に例示するように表される。

フォトニック結晶レーザーアレイ１０の複数の素子から、特定の領域に対して、レーザー光ＦＬを同時に出射する。図１５（ａ）の例では、出射光ＦＬは、測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２にて反射し、反射光ＲＦＬとして、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８にて受光される。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

距離演算部２２は、反射光ＲＦＬを検出した場合、各画素における反射光の到達時間（出射から受光までの時間）を計測する。例えば、図１５（ｂ）に例示したイメージセンサ１８の照明エリアＩＬＬ内の受光位置２４Ｉ１は、測定対象物２４Ｔ１からの反射光ＲＦＬの受光位置に対応し、受光位置２４Ｉ２は、測定対象物２４Ｔ２からの反射光ＲＦＬの受光位置に対応することを識別可能である。

距離演算部２２は、以上の情報に基づいて、撮像範囲に存在する測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２までの距離を画素毎に算定する。フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードにおいては、照明エリアＩＬＬ内の画素の数に応じた距離情報を一度に獲得することができる。

（光切断法（構造化光投）動作モード（Ｍ３）の動作原理）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムの光切断法動作モード（構造化光投動作モードともいう）において、回転するストライプ状出射光ＳＴに対する反射光ＲＳＴをイメージセンサで検出する動作原理は、図１６（ａ）に模式的に例示するように表され、反射光ＲＳＴを検出するイメージセンサの概念図は、図１６（ｂ）に例示するように表される。また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムの光切断法動作モードにおいて、回転するストライプ状出射光ＳＴに対する反射光ＲＳＴをイメージセンサで検出する動作の詳細例は、図１７に例示するように表される。

構造化光投影による３次元計測の例を、図１６～図１７を参照しながら、光切断法の動作で説明する。この方法だけでなく、パターン照明を利用した、いくつかの計測にも対応できる。光切断法では、基準となる形状に対するストライプ光やドランダムなドットパターン光の受光パターンと実際の受光パターンとを比較し、そのズレから形状を算定する方法などへも適用できる（例えば、携帯電話の顔認証機能）。

光切断法動作モードでは、フォトニック結晶レーザーアレイ１０で生成したストライプ状のレーザー光ＳＴを測定対象物２４Ｔに照射する。図１６（ａ）の例では、出射光ＳＴは、測定対象物２４Ｔにて反射し、反射光ＲＳＴとして、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８にて受光される（２４Ｉ）。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

距離演算部２２は、反射光ＲＳＴを検出した場合、反射光像（撮像パターン）を取得し（画素）、撮像パターンにより三角測距を行い、測定対象物２４Ｔまでの距離を算定して、ストライプ光１ライン分の３次元距離データを取得する。

さらに、図１６（ａ）に例示するように、ストライプ光ＳＴを回転走査することで（ＲＯＴ）、測定対象物２４Ｔ全体の３次元データを取得することができる。

また、図１７に例示する、フォトニック結晶レーザーアレイ１０と測定対象物２４Ｔと撮像レンズ１６およびイメージセンサ１８との位置関係は、次式により求められる。

Ｘ＝Ｄｃｏｓθ_a ｓｉｎθ_b／ｓｉｎ（θ_a＋θ_b） （４）
Ｙ＝Ｄｓｉｎθ_a ｓｉｎθ_b／ｓｉｎ（θ_a＋θ_b） （５）
Ｚ＝Ｄｔａｎφ_ａ／ｓｉｎθ_ａ （６）
但し、θ_a＝ｔａｎ^-1（f／Ｘ_a）であり、φ_ａ＝ｔａｎ^-1（Ｙ_aｃｏｓθ_a／Ｘ_a）である。また、Ｄは基線長、fは撮像レンズ１６の焦点距離、Ｘ_a，Ｙ_aはイメージセンサ１８上のスポット光像の位置である。

（ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）の動作フロー）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、ＬｉＤＡＲ動作モードのフローチャートは、図１８に例示するように表される。

まず、ステップＳ１０１において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０の１つの素子（特定素子）から、特定の方向に双ビームＡ，Ｂを出射する。

次に、ステップＳ１０２において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射されて測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２にて反射した反射光ＲＡ，ＲＢを、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８で捉える。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

次に、ステップＳ１０３において、距離演算部２２は、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置（画素の位置）から出射光Ａ，Ｂのどちらのビームに対する反射光であるのかを区別する。

次に、ステップＳ１０４において、距離演算部２２は、測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２からイメージセンサ１８の画素への反射光の到達時間を測定する。

次に、ステップＳ１０５において、距離演算部２２は、イメージセンサ１８の画素の位置で区別された出射光Ａ，Ｂの情報とイメージセンサ１８の画素への測定対象物からの反射光ＲＡ，ＲＢの到達時間の情報から、レーザー光Ａ，Ｂの出射方向に存在する測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２までの距離をそれぞれ算定する。

以上の距離算定を、異なる出射方向に対して繰り返し実行する（ステップＳ１０６）。

（フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）の動作フロー）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードのフローチャートは、図１９に例示するように表される。

まず、ステップＳ２０１において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０の複数の素子から、特定の領域に対して、レーザー光ＦＬを同時に出射する。

次に、ステップＳ２０２において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射されて測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２にて反射した反射光ＲＦＬを、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８で捉える。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

次に、ステップＳ２０３において、反射光ＲＦＬを検出した場合、距離演算部２２は、各画素における反射光の到達時間（出射から受光までの時間）を計測する。

次に、ステップＳ２０４において、距離演算部２２は、撮像範囲に存在する測定対象物２４Ｔ１，２４Ｔ２までの距離を画素毎に算定する。フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードにおいては、照明エリアＩＬＬ内の画素の数に応じた距離情報を一度に獲得することができる。

（光切断法（構造化光投）動作モード（Ｍ３）の動作フロー）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、光切断法動作モードのフローチャートは、図２０に例示するように表される。

まず、ステップＳ３０１において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０で生成したストライプ状の光ＳＴを測定対象物２４Ｔに照射する。

次に、ステップＳ３０２において、フォトニック結晶レーザーアレイ１０から出射されて測定対象物２４Ｔにて反射した反射光ＲＳＴを、撮像レンズ１６を介してイメージセンサ１８にて受光する。距離演算部２２は、反射光像（撮像パターン）を取得し（画素）、撮像パターンにより三角測距を行い、測定対象物２４Ｔまでの距離を算定して、ストライプ光１ライン分の３次元距離データを取得する。

次に、ステップＳ３０３において、ストライプ光ＳＴを回転走査することで（ＲＯＴ）、測定対象物２４Ｔ全体の３次元データを取得する。

（３次元センシングシステムのブロック構成）
本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、図２１Ａに模式的に示すように表される。また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムの別のブロック構成例は、図２１Ｂに模式的に示すように表される。図２１Ａと図２１Ｂとの違いは、図２１Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図２１Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００は、図２１Ａに例示するように、測定対象物に対してレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶（２ＤＰＣ）セルアレイ２０２を備える信号送信部２００と、信号送信部２００から出射され測定対象物で反射した反射光を受光する光学系３０４およびイメージセンサ３０２を備える信号受信部３００と、レーザー光源の動作モードを制御する制御部（ＣＰＵ）４０８と、２ＤＰＣセルアレイ２０２から出射されたレーザー光の出射方向を認識する送信方向認識部４０４と、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モードに従って、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向を基に２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２と、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モードに従って、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置と出射から受光までの時間とから測定対象物までの距離を算定する距離検出部（ＴＯＦ）４１２とを備える信号送信部２００と、を備える。

信号送信部２００は、出射したレーザー光のフィードバック制御を行うフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４をさらに備え、送信方向認識部４０４は、ＦＢＰＤアレイ２０４からのフィードバック情報に従って、信号送信部２００から出射されたレーザー光の出射方向を認識する。

信号送信部２００は、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置から反射光の受信方向を認識する受信方向認識部４０６を備えることもでき、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向と受信方向認識部４０６が認識した反射光の受信方向とを基に２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

信号送信部２００は、距離検出部（ＴＯＦ）４１２の算定結果に基づいて、測定対象物の同定を行う対象物認識ロジック４１４をさらに備える。

より具体的には、本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００は、図２１Ａに例示するように、信号送信部２００と、信号受信部３００と、信号処理部４００と、メイン制御部（ＭＣＰＵ）５００と、人工知能（ＡＩ）部５０２とを備える。

信号送信部２００は、測定対象物に対してレーザー光を出射する２ＤＰＣセルアレイ２０２と、出射したレーザー光のフィードバック制御を行うフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４とを備える。２ＤＰＣセルアレイ２０２は、例えば、図１１に例示したフォトニック結晶レーザーアレイ１０に対応し、ＦＢＰＤアレイ２０４は、図６に例示したフォトダイオード１１８ＰＤや図８に例示した２ＤＰＣ１１８ＰＤＡＲに対応する。

信号受信部３００は、信号送信部２００から出射され測定対象物で反射した散乱反射光を受光する光学系３０４およびイメージセンサ（ライン／エリア）３０２を備える。光学系３０４、イメージセンサ３０２は、図１１に例示した撮像レンズ１６およびイメージセンサ１８にそれぞれ対応する。

信号処理部４００は、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２と、送信方向認識部４０４と、受信方向認識部４０６と、ＣＰＵ４０８と、３Ｄイメージ記憶部４１０と、距離検出部（ＴＯＦ）４１２と、対象物認識ロジック４１４とを備える。ＣＰＵ４０８は、３つの動作モード（すなわち、ＬｉＤＡＲ動作モード、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード、光切断法動作モード）に基づいて各部の動作制御を行う。ＣＰＵ４０８は、図１１に例示した制御部１４に対応する。

２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向と受信方向認識部４０６が認識した反射光の受信方向とを基に２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う。２ＤＰＣセルアレイ２０２から出射されるビームの駆動制御を行う。

送信方向認識部４０４は、ＦＢＰＤアレイ２０４からのフィードバック情報に従って、信号送信部２００から出射されたレーザー光の出射方向を認識し、認識結果をＣＰＵ４０８や２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２に提供する。受信方向認識部４０６は、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置から反射光の受信方向を認識し、認識結果をＣＰＵ４０８に提供する。３Ｄイメージ記憶部４１０は、イメージセンサ１８が撮像したイメージデータを記憶し、距離検出部（ＴＯＦ）４１２などに提供する。

距離検出部（ＴＯＦ）４１２は、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置と出射から受光までの時間（到達時間）とから測定対象物までの距離を算定する。距離検出部（ＴＯＦ）４１２は、図１１に例示した距離演算部２２に対応する。

対象物認識ロジック４１４は、距離検出部（ＴＯＦ）４１２の算定結果に基づいて、測定対象物の同定を行う。

ＭＣＰＵ５００は、本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００が搭載されるメインシステム全体を制御する。例えば、３次元センシングシステム１００が車両に搭載される場合には、ＭＣＰＵ５００は、車両側のメインＣＰＵに相当する。

ＭＣＰＵ５００には、ユーザインタフェース（Ｉ／Ｆ）部５０４が接続される。ユーザＩ／Ｆ部５０４は、ユーザが３次元センシングシステム１００に対する指示（例えば、センシング処理の開始／終了や、動作モードの選択など）を入力するための入力部５０６と、３次元センシングシステム１００が検知したセンシング情報をユーザに提示するための出力部５０８とを備える。３次元センシングシステム１００が検知したセンシング情報は、測定対象物を描いた画像として出力しても良いし、警告音などの音情報として出力しても良い。

ＡＩ部５０２は、３Ｄイメージ記憶部４１０に記憶され蓄積されたイメージデータを基に、３次元センシングシステム１００のセンシング結果を学習し、３次元センシングシステム１００によるセンシング処理をより適切に支援する。

（３次元センシングシステムの変形例１）
本実施の形態の変形例１に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、図２２Ａに模式的に示すように表される。また、本実施の形態の変形例１に係る３次元センシングシステムの別のブロック構成例は、図２２Ｂに模式的に示すように表される。図２２Ａと図２２Ｂとの違いは、図２２Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図２２Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

変形例１に係る３次元センシングシステム１００の図２１Ａに例示した３次元センシングシステム１００との相違点は、図２２Ａに例示するように、信号処理部４００が受信方向認識部４０６を備えていない点である。

本実施の形態の変形例１に係る３次元センシングシステム１００においては、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、送受信方向認識部４０５が認識したレーザー光の出射方向を基に２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

変形例１に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、上記相違点以外は、図２１Ａに例示した本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例と同様である。

（２ＤＰＣセルアレイ駆動部のブロック構成）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２のブロック構成例は、図２３に模式的に示すように表される。

２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、図２３に例示するように、動作選択部４０２２と、ライダー動作制御部４０２４と、フラッシュライダー制御部４０２６と、構造化光切断制御部４０２８とを備える。

動作選択部４０２２は、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）／光切断法動作モード（Ｍ３））に従って、ライダー動作制御部４０２４、フラッシュライダー制御部４０２６、および構造化光切断制御部４０２８を制御する。

具体的には、動作モードがＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）である場合には、ライダー動作制御部４０２４は、１つのレーザー素子を駆動して双ビーム（Ａ，Ｂ）を出射するように２ＤＰＣセルアレイ２０２を駆動制御する。動作モードがフラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）である場合には、フラッシュライダー制御部４０２６は、ある領域（センシング空間）に対し一定時間光を照射するように２ＤＰＣセルアレイ２０２を駆動制御する。動作モードが光切断法動作モード（Ｍ３）である場合には、構造化光切断制御部４０２８は、測定対象物にストライプ状のパターン光を投影するように２ＤＰＣセルアレイ２０２を駆動制御する。

動作選択部４０２２は、例えば、３つの動作モードを以下のように選択制御する。

最初に、フラッシュライダー制御部４０２６に、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）による駆動制御を実行させる（例えば数１００Ｗ程度の高出力）。次に、ライダー動作制御部４０２４に、ＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ１）による駆動制御を実行させる（例えば数Ｗ～数１０Ｗ程度の出力）。次に、構造化光切断制御部４０２８に、光切断法動作モード（Ｍ３）による駆動制御を実行させる。

その後、動作選択部４０２２は、動作モードを、最初のフラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）に戻しても良いし、或いは処理を終了しても良い。また、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード（Ｍ２）と光切断法動作モード（Ｍ３）との処理の順番を逆にしても良い。また、３つの動作モードのうち、１つ若しくは２つの動作モードも組み合わせても良い。

このように、３つの動作モードの組み合わせ方は任意に選択することができるが、原則的には１つの動作モードでのセンシング処理が終わるまでは、次の動作モードには移行しない。

（３次元センシングシステムの変形例２）
本実施の形態の変形例２に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、図２４Ａに模式的に示すように表される。また、本実施の形態の変形例２に係る３次元センシングシステムの別の模式的ブロック構成例は、図２４Ｂに模式的に示すように表される。図２４Ａと図２４Ｂとの違いは、図２４Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図２４Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

変形例２に係る３次元センシングシステム１００の変形例１に係る３次元センシングシステム１００（図２２Ａ）との相違点は、図２４Ａに例示するように、ＡＩ部４０７が信号処理部４００内に設けられる点である。

本実施の形態の変形例２に係る３次元センシングシステム１００においては、ＡＩ部４０７は、３Ｄイメージ記憶部４１０に記憶され蓄積されたイメージデータを基に、３次元センシングシステム１００のセンシング結果を学習し、３次元センシングシステム１００による次回以降のセンシング処理（特に、送受信方向認識部４０５や距離検出部（ＴＯＦ）４１２）を、より適切に制御する。

変形例２に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、上記相違点以外は、図２２Ａに例示した変形例１に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例と同様である。

（３次元センシングシステムの変形例３）
本実施の形態の変形例３に係る３次元センシングシステムであって、タイムオブフライト（ＴＯＦ）測距システム６００のブロック構成例は、図２５に模式的に示すように表される。尚、ここでは、主にＬｉＤＡＲ動作モードによるセンシング例を説明する。

ＴＯＦ測距システム６００は、測定対象物７００にレーザー光Ａ，Ｂを照射し、反射光ＲＡ，ＲＢが反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、測定対象物７００までの距離を測定する。

ＴＯＦ測距システム６００は、２ＤＰＣセルアレイ２０２と、ＰＷＭ変調制御部２０３と、位相差検出部２０５と、イメージセンサ３０２と、光学系３０４と、距離検出部４１２とを備える。尚、本出願の応用ではフラッシュＬｉＤＡＲと同じ時間計測原理を使うため、ある程度のハルス幅が必要となる可能性があるが、パルス幅は変化させない動作も可能である。通常こうした測定のための応用では、なるべく時間の短い数ｎｓから十数ｎｓのパルスを繰り返し発生させる。繰り返し周波数は検出距離に応じて決める。最初のパルスの設定した距離からの反射が戻ってきて処理が完了した後に次のパルスを出す動作を行っている。

２ＤＰＣセルアレイ２０２は、ＰＷＭ変調制御部２０３によって基本周波数（例えば数１００ＭＨｚ）に振幅変調された双ビームＡ，Ｂを出射する。出射光Ａ，Ｂは、測定対象物７００にて反射し、反射光ＲＡ，ＲＢとして、光学系３０４を介してイメージセンサ３０２にて受光される。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

位相差検出部２０５は、出射光Ａ，Ｂと反射光ＲＡ，ＲＢとの間の周波数の位相差を検出する。

距離検出部４１２は、位相差検出部２０５が検出した位相差から時間を求める距離演算回路４１２１と、距離演算回路４１２１が求めた時間に光速を乗算することで測定対象物７００までの距離を検出する距離データ検出部４１２２とを備える。

変形例３に係るＴＯＦ測距システム６００のＬｉＤＡＲ動作モードでは、以上の距離算定を、異なる出射方向に対して繰り返し実行する。

尚、図示していないが、変形例３に係るＴＯＦ測距システム６００においても、図２１Ａなどに例示したＡＩ部５０２や３Ｄイメージ記憶部４１０、対象物認識ロジック４１４、入力部５０６と出力部５０８を含むユーザＩ／Ｆ部５０４などを備えても良い。

（３次元センシングシステム適用可能なイメージセンサ（エリア））
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能なイメージセンサ（エリア）３０２のブロック構成例は、図２６に模式的に示すように表される。

イメージセンサ（エリア）３０２は、ＴＯＦ方式で測定対象物までの距離を測定するイメージセンサであり、ＰＷＭ変調されたレーザー光を用い、発光／受光タイミングの位相差情報を出力する。イメージセンサ（エリア）３０２は、図２６に例示するように、受光部３０２１と、垂直シフトレジスタ３０２２と、バイアス発生回路３０２３と、タイミング回路３０２４と、サンプル／ホールド回路３０２５と、水平シフトレジスタ３０２６と、バッファアンプ３０２７Ａ，３０２７Ｂとを備える。受光部３０２１からの出力される信号は、サンプル／ホールド回路３０２５で必要な信号処理が行われ、水平シフトレジスタ３０２６で順次走査されて電圧出力として読み出される。出力端子Ｖ_out1，Ｖ_out2から距離情報に相当する２つの位相信号が出力される。

（ビーム配置）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１０から出射される双ビーム配置例は、図２７（ａ）に模式的に示すように表され、中央ビームとそれに隣接するビームの拡大図は、図２７（ｂ）に模式的に示すように表される。

３次元センシングシステムのセンシング時には以下の機能を有する。
（１）同時に生じる２つのビーム（双ビーム）を扱う。そのため、センシングのための双ビームの発光と受光の扱いが重要になる。
（２）発光では、ビーム走査面を回転系（点対称）で構成する。
（３）受光では、回転系で走査される２つのビームからの反射光を区別可能とする。
（４）同時に任意の双ビームを出射可能とする。

図２７（ａ）において、双ビーム配置（走査面、出射角度）０．３４°ビームの円錐を、走査面を考慮して配置する（円の最稠密充填）ビームの直径（解像度）は、２００ｍ：１．１９ｍ、１００ｍ：０．５９ｍ、５０ｍ：０．２９ｍ、１０ｍ：０．０６ｍである。

図２７（ｂ）に例示する配置の仕方は、ビーム配置の一例であり、実際には、センシング空間に対し漏れのないビーム配置を考える必要がある。１つの例として、無限平面への円の最稠密充填を利用する。レーザービームの強度分布に応じてこれらの円領域の重なりを制御して最適なビーム配置を設計する。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される双ビーム配置例であって、円の最稠密充填パターンを利用するビーム配置は、図２８に模式的に示すように表される。図２８において、対応する番号が１組の双ビームを表す。

図２８では、円の最稠密充填パターンを利用したビーム配置の例を示しており、ビーム位置０を中心とする点対称の位置に双ビームが配置されるようにフォトニック結晶レーザーのビーム広がり角度とビームを含む平面を設計する。本実施の形態に係る３次元センシングシステムによる実際のセンシング時のビーム走査は、従来のラスタースキャンのような方式とは異なり、全く異なる方向を順番に走査することも可能である。隣接する領域を順に走査するのであれば、ビーム位置０→１→５→８→２→１１→６→４→９→１３→２→・・・といった順序が考えられる。例えば自動車に搭載するケースでは、高速道路を走行するような場合は中央付近だけを走査するなど、走行場面に応じた制御の自由度が高い。また、ビーム位置０，１，２，３を同時に出射すればライン状のパターン投影となり、ビーム位置０，１，５，８を出射すれば中心領域への照明となる。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される円の最稠密充填パターンを利用する双ビーム例において、センシング範囲を表す球面の一部における最大水平角度ＭＨＤ、最大垂直角度ＭＶＤの説明図は、図２９（ａ）に例示するように表され、ビーム発散角ＢＤＡおよびビームの中心位置を表す正三角形配置の説明図は、図２９（ｂ）に例示するように表され、レーザービームの配置の例は、図２９（ｃ）に例示するように表される。

図２８では、センシングのためのビーム配置を、わかりやすさのために平面上での複数の円として描いているが、厳密には、図２９に例示するように、ある距離を半径とする球面とビームのなす円錐との交線である。図２９（ｂ）のように、ある距離にある平面との交線として描けば「０」番目のビーム位置を除きすべて楕円となり、ビーム位置「０」の場合の距離とはならない。

図２９（ａ）は、センシング範囲を表す球面（原点Ｏからある距離を半径とする球面を、センシング範囲を表す角度範囲で切り取った球面）ＳＦの一部を例示しており、ＭＨＤ（１／２）は、最大水平角度範囲（１／２）であり、ＭＶＤ（１／２）は、最大垂直角度範囲（１／２）である。

図２９（ｂ）において、θｈは水平方向の角度であり、θｖは垂直方向の角度であり、ＢＤＡはビームの発散角である。図２９（ｂ）は、ビームの中心位置を表す正三角形配置（極座標）を例示しており、頂点がビーム中心となり、三角形の一辺がビームの発散角に相当する。水平垂直方向の角度範囲を定めれば、必要なビームの数を算定することができる。

図２９（ｃ）は、レーザービームの配置の例を角度で表現した座標系であり、長さは角度を表し、ある距離における投影面での長さには対応しない。以下のように具体的な条件を定め、必要なビームの数を試算する。すなわち、水平角度範囲：－５０°～５０°、垂直角度範囲：－１０°～１０°、ビームの発散角度：０．３４°、１００ｍ先で水平方向２３８ｍ、垂直方向３５ｍの範囲（２５ｍなら水平６０ｍ、垂直９ｍ）、水平方向のビーム数：１００／０．３４＋１＝２９５、垂直方向のビーム数：２０／（０．３４×０．８７）＋１＝６９（垂直方向は重なりがあるため水平方向のｓｉｎ６０°に短縮）、総ビーム数：２０，３５５、総ＰＣＳＥＬ数：１０，１７８である。

２次元アレイをなす個々のＰＣＳＥＬ（Photonic Crystal Surface Emitting Laser）のビームの仕様は、図２９（ｃ）のレーザービームの配置例の対応する番号のように、原点対称の頂点対を選ぶことで定まる。双ビームの開き角度は、頂点間の長さから算定され（正三角形の一辺の長さはビームの発散角度に対応する）、ビームの回転角度は、頂点対を結ぶ線分が軸となす角度で定まる。

例えば、５番の双ビームでは、ビームの開き角度は発散角度の２倍、回転角度は水平軸に対して反時計方向に６０°である。

（受光システム）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、反射光Ｒを受光する受光システム（１６、１８）の模式図は、図３０（ａ）に例示するように表され、図３０（ａ）のイメージセンサの模式図は、図３０（ｂ）に例示するように表される。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおける受光システムは、図３０（ａ）に例示するように、撮像レンズ１６とイメージセンサ（或いはアレイ状の受光素子）１８とを備え、反射光Ｒを受光する。本実施の形態における受光システムは、フォトニック結晶レーザーの特徴である中心対象に出射される２つのレーザービームからの反射光をそれぞれ区別可能である。さらにフォトニック結晶の特徴を利用し、同時に多数のレーザービームを、ある領域に対する照明光として出射することでフラッシュＬｉＤＡＲとしても機能させることができる。

（レーザー光強度と注入電流との関係）
比較例に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの各セル１２１，１２２，１２３，１２４に等しい電流値Ｉを注入しても方向（位置）によって光強度に差が生じる例は、図３１(ａ)～図３１（ｅ）に例示するように表される。図３１（ａ）は、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲ及び各セル１２１，１２２，１２３，１２４を表し、各セル１２１，１２２，１２３，１２４に等しい電流値Ｉを注入した場合のビームＢＭの放射の様子を模式的に示す。また、図３１（ｂ）は、ビームＢＭの放射角度θ＝０度のときのＦＦＰ、図３１（ｃ）は、θ＝２０度のときのＦＦＰ、図３１（ｄ）は、θ＝４０度のときのＦＦＰ、図３１（ｅ）は、θ＝６０度のときのＦＦＰの様子を模式的に示す。

図３１(ａ)～図３１（ｅ）の比較例に示すように、例えば、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの各セル１２１，１２２，１２３，１２４に、等しい電流値Ｉを注入しても、角度θによって、光強度Ｌに差が生じる場合がある。

一方で、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの各セル１２１，１２２，１２３，１２４に位置毎にそれぞれ異なる電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を注入して、方向（位置）によって光強度を均一化した例は、図３２（ａ）～図３２（ｅ）に例示するように表される。図３２（ａ）は、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲ及び各セル１２１，１２２，１２３，１２４を表し、各セル１２１，１２２，１２３，１２４に異なる電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を注入した場合のビームＢＭの放射の様子を模式的に示す。また、図３２（ｂ）は、ビームＢＭの放射角度θ＝０度のときのＦＦＰ、図３２（ｃ）は、θ＝２０度のときのＦＦＰ、図３２（ｄ）は、θ＝４０度のときのＦＦＰ、図３２（ｅ）は、θ＝６０度のときのＦＦＰの様子を模式的に示す。

図３２（ａ）～図３２（ｅ）に例示するように、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲ内の光強度のばらつきを検出し、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲのセル１２１，１２２，１２３，１２４毎にそれぞれ異なる電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を注入するように、２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲを駆動制御することで、光強度を均一化することができる。例えば、図７に例示したようなフィードバック制御機構を構成することで、フィードバック用のレーザー光Ｃ（ＦＢ）から２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲ内の光強度のばらつきを検出することができる。

（２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの出射ビーム制御）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの出射ビーム制御例であって、１セル内に光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂが配置された状態は、図３３（ａ）に例示するように表され、１セルの模式的平面図は、図３３（ｂ）に例示するように表され、一軸方向の走査を実現する電極配置の構成例は、図３３（ｃ）に例示するように表される。

図３３（ａ）に例示する光共振状態形成用格子２１２Ａ＋光出射用格子２１２Ｂの配置状態例は、図５に示した配置状態例に対応しており、格子点の位置を示すパラメータである（ｒ₁，ｒ₂）が、先に示した式（１）および（２）を満たす方向にレーザービームが出射される。

図３３（ｃ）に例示するように、電極Ｅ１～Ｅ４に向かい格子点の位置を示すパラメータである（ｒ₁，ｒ₂）を連続的に変化させる。例えば、電極Ｅ２にのみ電流を流すと（θ，φ）＝（２０，０）方向にビームが出射する。隣接する電極（Ｅ１～Ｅ４）に与える電流バランスにより、連続的に角度を振ることが可能となる。

また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの出射ビーム制御例であって、ｒ₁，ｒ₂と角度θとの関係は、図３４（ａ）に例示するように表され、一軸方向の走査を実現する電極配置の別の構成例は、図３４（ｂ）に例示するように表される。図３４（ｂ）においても、電極Ｅ１～Ｅ４にかけて、ｒ₁，ｒ₂を連続的に変化させている。図３４（ｂ）に例示した一軸方向に走査が行われる。

また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの出射ビーム制御例であって、二軸方向の走査を実現する電極配置の構成例は、図３５（ａ）に表され、走査方向の模式図は、図３５（ｂ）に例示するように表される。図３５（ｂ）に例示した二軸方向（ＳＶ１，ＳＶ２およびＳＨ１，ＳＨ２）に走査が行われる。

また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイ１２０ＡＲの出射ビーム制御例であって、回転走査を実現する電極配置の構成例は、図３６（ａ）に表され、走査方向の模式図は、図３６（ｂ）に例示するように表される。図３６（ｂ）に例示した走査方向（ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＣ，およびＳＨ１，ＳＨ２）に回転走査が行われる。

（短冊状の電極配置）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザセルにおいて、２次元フォトニック結晶層に空孔（異屈折率領域）が配置される格子点として、光共振状態形成用格子２１２Ａが配置された状態を示す平面図は、図３７（ａ）に例示するように表され、光出射用格子２１２Ｂが配置された状態を示す平面図は、図３７（ｂ）に例示するように表され、短冊状の上部電極２５２が配置された状態を示す平面図は、図３７（ｃ）に例示するように表され、短冊状の上部電極２５２が配置された別の状態を示す平面図は、図３７（ｄ）に例示するように表される。

ここでは、図１や図２などに図示されていない下部電極の代わりに、以下に述べる短冊状の電極Ｅ１～Ｅ１９を下部電極として用いる。それ以外のフォトニック結晶レーザーの構成は、図１や図２などに例示したフォトニック結晶レーザーの構成と同様である。

図３７に例示する２次元フォトニック結晶層は、光共振状態形成用格子２１２Ａ（図３７（ａ））と光出射用格子２１２Ｂ（図３７（ｂ））とを組み合わせ重ね合わせた格子（図示せず）の格子点上に空孔（異屈折率領域）が配置されたものである。光共振状態形成用格子２１２Ａは、格子定数ａの正方格子である。光出射用格子２１２Ｂは、ｙ方向には格子点が間隔ａで並んでおり、ｘ方向には、光出射用格子２１２Ｂが仮想的に分割された複数の領域６６（異周期領域と呼ぶ。これは、異屈折率領域とは異なるものである。）毎に異なる間隔で格子点が並んでいる。

上部基板２４２の上面には、図３７（ｃ）に例示するように、上部電極２５２として短冊状の電極（Ｅ１～Ｅ５）、（Ｅ６～Ｅ１２）、（Ｅ１３～Ｅ１９）が設けられている。これら短冊状の電極（Ｅ１～Ｅ５）、（Ｅ６～Ｅ１２）、（Ｅ１３～Ｅ１９）は、ｘ方向の幅が異周期領域６６の幅よりも狭い電極が多数、Ｘ方向に並べられたものである（図３７（ｃ））。

また、図３７（ｄ）では、短冊状の電極（Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５）、（Ｅ７，Ｅ１０）、（Ｅ１３，Ｅ１６，Ｅ１９）がｘ方向に配置された状態を例示している。

図３７に例示するフォトニック結晶レーザーでは、上部電極２５２として設けられた多数の電極Ｅ１～Ｅ１９のうち、１つの異周期領域６６の直上および／または直下にあるもののみから電流を活性層２２２に注入する。これにより、その異周期領域６６の直下にある活性層２２２において所定の波長の光を含む波長域の光が発光し、その所定波長の光がその異周期領域６６において共振を起こし、傾斜ビームが出射する。ここで、異周期領域６６毎に光出射用格子２１２Ｂの構造が異なるため、光が共振を起こす異周期領域６６を切り替える、すなわち、電流を注入する上短冊状の電極Ｅ１～Ｅ１９中の個別の電極を切り替えることにより、レーザー発振位置を徐々に変化させ、ビーム傾斜角を連続的に変化させることができる。
以上、２次元のＰＣＳＥＬアレイ及びイメージセンサと、２次元のＰＣＳＥＬアレイ及びイメージセンサの駆動、制御について説明し、フラッシュを含む複数の動作モードに対応する点も説明した。

特定の領域全面に対するフラッシュ動作を常時固定的に用いるようなシステムの場合は、ＰＣＳＥＬアレイのほかに、レーザーやＬＥＤなどを用いたフラッシュ専用の光源を用いることも本実施の他の様態に含まれる。以下に詳述する。

（フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとの組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステム）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとの組み合わせによる動作モード（以降、単に「組み合わせ動作モード」ともいう）の概念図は、図３８に示すように表される。

本実施の形態に係る組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムにおいては、光源として、全面照射用のフラッシュ（ＦＬ）光源２５０と、狙った領域照射用の２次元フォトニック結晶（２ＤＰＣ）面発光レーザセルアレイ２０２とを備える。

ＦＬ光源２５０は、特定の領域（センシング領域）の全面に対してレーザー光ＦＬを出射する。図３８に示す例では、領域内に、車両ＶＨ、車両ＶＢ、および歩行者（人）ＨＭの３つの測定対象物が存在するものとする。

ＦＬ光源２５０から出射されて測定対象物ＶＨ、ＶＢ、ＨＭにてそれぞれ反射した反射光ＲＶＨ、ＲＶＢ、ＲＨＭを、タイムオブフライト（ＴＯＦ）カメラ３５０で観測し、測定対象物ＶＨ、ＶＢ、ＨＭまでの距離を測定する。

このとき、車両ＶＨのボディカラーと歩行者ＨＭの服装の色合いが比較的明るい色（例えば、白色系、黄色系など）であり、車両ＶＢのボディカラーが比較的暗い色（例えば、黒色系、紺色系、茶色系など）であるとする。そうすると、比較的明るい色をもつ車両ＶＨや歩行者ＨＭの反射率は比較的高く、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）も高いため、ＴＯＦカメラ３５０での観測が可能である。ところが、比較的暗い色をもつ車両ＶＢの反射率は比較的低く、Ｓ／Ｎも低いため、ＴＯＦカメラ３５０での観測が難しい。

そこで、反射率が低くＳ／Ｎが十分でない測定対象物（この場合、車両ＶＢ）に対して、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から狙った領域のみにスポット的にビームを照射し、この反射光を観測することで、車両ＶＢのような測定対象物についても、高感度での距離の測定を可能にする。

（比較例）
ここで、図３９を参照しながら、比較例に係るフラッシュＬｉＤＡＲシステムの動作フローについて説明する。比較例に係るフラッシュＬｉＤＡＲシステムでは、図３８に示した３次元センシングシステムにおいて、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードのみを用いる。

ステップＳ４００において、ＦＬ光源２５０から、特定の領域の全面に対して、レーザー光ＦＬを照射する。

次に、ステップＳ４０１において、ＦＬ光源２５０から出射されて測定対象物ＶＨ、ＶＢ、ＨＭにて反射した反射光ＲＶＨ、ＲＶＢ、ＲＨＭを、ＴＯＦカメラ３５０で観測する。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

次に、ステップＳ４０２において、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定する。ステップＳ４０２の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がない場合（ステップＳ４０２でＮＯの場合）、ステップＳ４０３において、距離画像（３次元画像）を出力する。

一方で、ステップＳ４０２の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合（ステップＳ４０２でＹＥＳの場合）、当該領域の距離を算定して距離画像を出力することができないため、ステップＳ４０４において、ＦＬ光源２５０からの照射強度を引き上げて、再度、特定の領域の全面に対してレーザー光ＦＬを照射する。

次に、ステップＳ４０５において、ＦＬ光源２５０から出射されて測定対象物にて反射した反射光を、ＴＯＦカメラ３５０で観測する。しかしながら、Ｓ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域以外の領域は、雑音により飽和してしまい、距離画像を出力することができない。このように、反射率が低い測定対象物が含まれる場合、Ｓ／Ｎの低下により、距離測定が困難になる。

（組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムの動作フロー）
図４０を参照しながら、図３８に示した３次元センシングシステムの動作フローについて説明する。

ステップＳ５００において、ＦＬ光源２５０から、特定の領域の全面に対して、レーザー光ＦＬを照射する（フラッシュ型）。

次に、ステップＳ５０１において、ＦＬ光源２５０から出射されて測定対象物ＶＨ、ＶＢ、ＨＭにて反射した反射光ＲＶＨ、ＲＶＢ、ＲＨＭを、ＴＯＦカメラ３５０で観測する。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

次に、ステップＳ４０５において、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定する。ステップＳ５０２の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がない場合（ステップＳ５０２でＮＯの場合）、ステップＳ５０３において、距離画像（３次元画像）を出力する。

一方で、ステップＳ５０２の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合（ステップＳ５０２でＹＥＳの場合）、例えば、反射率が比較的低くてＳ／Ｎも低い車両ＶＢのような場合、当該領域の距離を算定して距離画像を出力することができない。そこで、ステップＳ５０４において、Ｓ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域に対してのみ、２ＤＰＣセルアレイ２０２からスポット的にビームを照射する（ビーム走査型）。

次に、ステップＳ５０５において、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射されて測定対象物にて反射した反射光をＴＯＦカメラ３５０で観測し、ステップＳ５０６において、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定する。

ステップＳ５０６の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がない場合（ステップＳ５０６でＮＯの場合）、ステップＳ５０７において、距離画像（３次元画像）を出力する。

一方で、ステップＳ５０６の判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合（ステップＳ５０６でＹＥＳの場合）、何らかの測定対象物が存在すると推測されるものの、当該領域の距離を算定して距離画像を出力することができない。

そこで、ステップＳ５０８において、２ＤＰＣセルアレイ２０２から出射される光の強度を引き上げて、ステップＳ５０４に戻って、当該領域に対してのみ、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にビームを照射する。ここで、ステップＳ５０８における光の強度を引き上げるための調整方法としては、例えば、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の発光部に供給する電圧を上げる方法などを適用することができる。

そして、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がなくなるまで、すなわち、領域内のすべての測定対象物を検知するまで、ステップＳ５０４～Ｓ５０８の処理を繰り返す。

このように、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとの組み合わせ動作モードを導入することにより、センシング領域内に反射率が低い測定対象物が含まれる場合でも、反射率が低い測定対象物の距離の測定が可能になる。

また、予め最初に、特定の領域の全面に対してＦＬ光源２５０からレーザー光ＦＬを照射して、特定の領域全体に含まれる測定対象物を検知し（フラッシュ動作モード）、その際に検知できなかった測定対象物のみについて、次に、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にビームを照射して検知する（ＬｉＤＡＲ動作モード）ように構成しているため、最初から最後までＬｉＤＡＲ動作モードで動作するよりも効率的に処理を行うことができる。

（狙った領域照射用変調フォトニック結晶レーザー光源）
図４１は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源の例であって、照射パターン例の断面を模式的に示している。また、図４２は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源の例であって、照射パターン例の照射面を模式的に示している。

図４１及び図４２は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、スポット的に狙った領域への照射用変調フォトニック結晶レーザー光源（２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２）の例を示している。狙った領域照射用変調フォトニック結晶レーザー光源（２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２）は、例えば、水平方向±６０°、垂直方向±６０°の指定位置（例えば図４２における狙って照射する位置）にレーザー光を照射する。狙った領域照射用変調フォトニック結晶レーザー光源から出射される双ビームＡ，Ｂのうちの片方、例えばビームＢを用いるが、ビームＡ，Ｂの双方を用いても良い。

出射角度は、例えば、指定した方向の１点当たり約２°であり、アレイ全体で水平方向±約６０°、垂直方向±約６０°である。

出力は、例えば、１点あたり約０．２Ｗ超である。複数の光源Ｂを並べることで、高出力化も可能となるが、パルス幅が長い場合や、繰り返し周波数が高い場合においては、放熱の工夫が必要となる場合がある。

（全面照射用フォトニック結晶レーザー光源）
図４１は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源（ＦＬ光源２５０）の例であって、照射パターン例の断面を模式的に表している。図４２は、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、全面照射用フォトニック結晶レーザー光源（ＦＬ光源２５０）の例であって、照射パターン例の照射面を模式的に表している。

ＦＬ光源２５０として用いるレーザーは、例えば、面垂直型ＰＣＳＥＬ若しくはＶＣＳＥＬであり、出射されるレーザー光をレンズ若しくは拡散板等で適宜拡げて、±６０°範囲を照射する。ここで用いるレンズとしては、例えば、ボールレンズ、グレーテッドインデックスレンズ（ＧＩ（Graded Index）レンズ）又は複数レンズを組み合わせたレンズなどである。より発展的には、レンズや拡散板を用いずに±６０°範囲の照射が可能となる。

全面照射用フォトニック結晶レーザー光源は、例えば、水平方向±６０°、垂直方向±６０°の全面照射型であり、単体素子の発光を広げて照射することにより、センシング領域の全面に対してレーザー光ＦＬを照射する。出射角度は、例えば、素子単体で約２°であり、より発展的には、水平方向±約６０°、垂直方向±約６０°の範囲を一様に照射する。

出力は、例えば、約５Ｗ超である。長いパルス幅と高繰り返しにおいては、放熱の工夫が必要な場合がある。また、使用するパッケージは、例えば、５．６ｍｍφステムである。

（組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムのブロック構成）
本実施の形態に係る組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとの組み合わせ動作モードによるブロック構成は、図４３Ａに模式的に示すように表される。尚、図２１Ａに示したブロック構成と同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して、その説明を省略若しくは簡略化する。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成は、図４３Ａに示すように表される。また、本実施の形態に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成は、図４３Ｂに示すように表される。図４３Ａと図４３Ｂとの違いは、図４３Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図４３Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００は、図４３Ａに示すように、特定の領域（センシング領域）の全面に対してレーザー光を出射する全面照射用のフラッシュ光源２５０と、特定の領域のうち狙った領域に対してレーザー光を出射する２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２と、レーザー光源（２０２，２５０）の動作モードを制御する制御部（ＣＰＵ）４０８と、制御部４０８によって制御される動作モードに従って、フラッシュ光源２５０の駆動制御を行うフラッシュ駆動部４１５および２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の駆動制御を行う２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２と、フラッシュ光源２５０から出射されたレーザー光が特定の領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信し、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射されたレーザー光が狙った領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信する信号受信部３００と、動作モードに従って、信号受信部３００が受信した反射光を信号処理する信号処理部４００と、動作モードに従って、信号処理部４００が処理した信号に対して、測定対象物までの距離の算定処理を行う距離検出部４１２とを備える。

信号処理部４００は、フラッシュ光源２５０から出射されて反射してきた反射光のＳ／Ｎが所定の閾値よりも低い領域が特定の領域内にあるか否かを判定し、Ｓ／Ｎが所定の閾値よりも低い領域がある場合、信号処理部４００は、Ｓ／Ｎが所定の閾値よりも低い領域のみを狙って、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にレーザー光を照射するように２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２を制御する。

また、信号処理部４００は、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的に出射されて反射してきた反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定する。判定の結果、Ｓ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合、信号処理部４００は、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射される光の強度を引き上げて、当該領域のみを狙って、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にレーザー光を照射するように２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２を制御する。

ここで、動作モードには、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードとがあり、フラッシュ駆動部４１５は、動作モードがフラッシュ動作モードである場合にフラッシュ光源２５０の駆動制御を行い、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、動作モードがＬｉＤＡＲ動作モードである場合に２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

より詳細に本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００を説明する。

本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００は、図４３Ａに示すように、信号送信部２００と、信号受信部３００と、信号処理部４００とを備える。

信号送信部２００は、特定の領域の全面に対してレーザー光ＦＬを出射する全面照射用のフラッシュ（ＦＬ）光源２５０と、特定の領域のうち狙った領域に対してレーザー光を出射する２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２を備える。

信号受信部３００は、信号送信部２００から出射され測定対象物で反射した反射光を受光する光学系３０４およびイメージセンサ３０２を備える。

信号処理部４００は、レーザー光源の動作モードを制御する制御部（ＣＰＵ）４０８と、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射されたレーザー光の出射方向を認識する送信方向認識部４０４と、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モードに従って、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向を基に２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の駆動制御を行う２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２と、ＦＬ光源２５０の駆動制御を行うＦＬ駆動部４１５と、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モードに従って、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置と出射から受光までの時間とから測定対象物までの距離を算定する距離検出部（ＴＯＦ）４１２とを備える。

ＦＬ光源２５０は、まず、特定の領域の全面に対してレーザー光ＦＬを出射する。ＦＬ光源２５０から出射されて測定対象物から反射した反射光を、信号受信部３００で受信し、信号処理部４００の距離検出部４１２にて測定対象物までの距離を測定する。

このとき、信号処理部４００は、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定し、判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がない場合には、距離画像を出力する。一方で、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合、信号処理部４００は、Ｓ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域のみを狙って、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にビームを照射するように２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２を制御する。

２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射されて測定対象物にて反射した反射光は、信号受信部３００にて受信される。信号処理部４００は、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域があるか否かを判定し、判定の結果、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がない場合、距離画像を出力する。一方で、反射光のＳ／Ｎが所定の閾値Ｔよりも低い領域がある場合、信号処理部４００は、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２から出射される光の強度を引き上げて、当該領域のみを狙って、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２からスポット的にビームを照射するように２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２を制御する。

信号送信部２００は、出射したレーザー光のフィードバック制御を行うフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４をさらに備え、送信方向認識部４０４は、ＦＢＰＤアレイ２０４からのフィードバック情報に従って、信号送信部２００から出射されたレーザー光の出射方向を認識する。

信号送信部２００は、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置から反射光の受信方向を認識する受信方向認識部４０６を備えることもでき、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向と受信方向認識部４０６が認識した反射光の受信方向とを基に２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

信号処理部４００は、距離検出部（ＴＯＦ）４１２の算定結果に基づいて、測定対象物の同定を行う対象物認識ロジック４１４をさらに備える。

本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００は、より具体的には、図４３Ａに例示するように、信号送信部２００と、信号受信部３００と、信号処理部４００と、メイン制御部（ＭＣＰＵ）５００と、人工知能（ＡＩ）部５０２とを備える。

信号送信部２００は、特定の領域の全面に対してレーザー光ＦＬを出射する全面照射用のＦＬ光源２５０と、測定対象物に対してレーザー光を出射する２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２と、出射したレーザー光のフィードバック制御を行うＦＢＰＤアレイ２０４とを備える。ＦＢＰＤアレイ２０４は、図６に示したフォトダイオード１１８ＰＤや図８に示した２ＤＰＣ１１８ＰＤＡＲに対応する。

信号受信部３００は、信号送信部２００から出射され測定対象物で反射した散乱反射光を受光する光学系３０４およびイメージセンサ（ライン／エリア）３０２を備える。

信号処理部４００は、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２と、送信方向認識部４０４と、受信方向認識部４０６と、ＣＰＵ４０８と、３Ｄイメージ記憶部４１０と、距離検出部（ＴＯＦ）４１２と、対象物認識ロジック４１４とを備える。ＣＰＵ４０８は、３つの動作モード（すなわち、ＬｉＤＡＲ動作モード、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード、光切断法動作モード）に基づいて各部の動作制御を行う。ＣＰＵ４０８は、図１１に例示した制御部１４に対応する。

２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、送信方向認識部４０４が認識したレーザー光の出射方向と受信方向認識部４０６が認識した反射光の受信方向とを基に２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の駆動制御を行い、ＦＬ駆動部４１５は、ＦＬ光源２５０の駆動制御を行う。

送信方向認識部４０４は、ＦＢＰＤアレイ２０４からのフィードバック情報に従って、信号送信部２００から出射されたレーザー光の出射方向を認識し、認識結果をＣＰＵ４０８や２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２およびＦＬ駆動部４１５に提供する。受信方向認識部４０６は、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置から反射光の受信方向を認識し、認識結果をＣＰＵ４０８に提供する。３Ｄイメージ記憶部４１０は、イメージセンサ１８が撮像したイメージデータを記憶し、距離検出部（ＴＯＦ）４１２などに提供する。

距離検出部（ＴＯＦ）４１２は、ＣＰＵ４０８によって制御される動作モード（ＬｉＤＡＲ動作モード／フラッシュＬｉＤＡＲ動作モード／光切断法動作モード）に従って、イメージセンサ１８の撮像面での受光位置と出射から受光までの時間（到達時間）とから測定対象物までの距離を算定する。距離検出部（ＴＯＦ）４１２は、図１１に例示した距離演算部２２に対応する。

対象物認識ロジック４１４は、距離検出部（ＴＯＦ）４１２の算定結果に基づいて、測定対象物の同定を行う。

ＭＣＰＵ５００は、本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００が搭載されるメインシステム全体を制御する。例えば、３次元センシングシステム１００が車両に搭載される場合には、ＭＣＰＵ５００は、車両側のメインＣＰＵに相当する。

ＭＣＰＵ５００には、ユーザインタフェース（Ｉ／Ｆ）部５０４が接続される。ユーザＩ／Ｆ部５０４は、ユーザが３次元センシングシステム１００に対する指示（例えば、センシング処理の開始／終了や、動作モードの選択など）を入力するための入力部５０６と、３次元センシングシステム１００が検知したセンシング情報をユーザに提示するための出力部５０８とを備える。３次元センシングシステム１００が検知したセンシング情報は、測定対象物を描いた画像として出力しても良いし、警告音などの音情報として出力しても良い。

ＡＩ部５０２は、３Ｄイメージ記憶部４１０に記憶され蓄積されたイメージデータを基に、３次元センシングシステム１００のセンシング結果を学習し、３次元センシングシステム１００によるセンシング処理をより適切に支援する。

（組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムの変形例４）
本実施の形態の変形例４に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成は、図４４Ａに示すように表される。また、本実施の形態の変形例４に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成は、図４４Ｂに示すように表される。図４４Ａと図４４Ｂとの違いは、図４４Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図４４Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

変形例４に係る３次元センシングシステム１００と、図４３Ａに例示した３次元センシングシステム１００との相違点は、信号処理部４００が受信方向認識部４０６を備えていない点である。

本実施の形態の変形例４に係る３次元センシングシステム１００においては、２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、送受信方向認識部４０５が認識したレーザー光の出射方向を基に２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

変形例４に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、上記相違点以外は、図４３Ａに例示した本実施の形態に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例と同様である。

（２ＤＰＣセルアレイ駆動部とＦＬ駆動部のブロック構成）
本実施の形態に係る３次元センシングシステムに適用可能な２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２とＦＬ駆動部４１５のブロック構成例は、図４５に模式的に示すように表される。尚、図２３に示したブロック構成内の同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して、その説明を省略若しくは簡略化する。

２ＤＰＣセルアレイ駆動部４０２は、図２３と同様に、動作選択部４０２２と、ライダー動作制御部４０２４と、フラッシュライダー制御部４０２６と、構造化光切断制御部４０２８とを備え、ＣＰＵ４０８による制御に従って、２ＤＰＣセルアレイ２０２の駆動制御を行う。

ＦＬ駆動部４１５は、ＣＰＵ４０８による制御に従って、ＦＬ光源２５０の駆動制御を行う。

（組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムの変形例５）
本実施の形態の変形例５に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの模式的ブロック構成は、図４６Ａに示すように表される。また、本実施の形態の変形例５に係る３次元センシングシステムにおいて、フラッシュ動作モードと、ＬｉＤＡＲ動作モードの組み合わせ動作モードの別の模式的ブロック構成は、図４６Ｂに示すように表される。図４６Ａと図４６Ｂとの違いは、図４６Ａでは、信号送信部２００はフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えているのに対して、図４６Ｂでは、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えない点である。このようにフィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を備えていても良いし省略しても良い。フィードバック動作は、カメラでも対応できるため、フィードバックフォトダイオード（ＦＢＰＤ）アレイ２０４を省略しても良い。

変形例５に係る３次元センシングシステム１００と、変形例４に係る３次元センシングシステム１００（図４４Ａ）との相違点は、ＡＩ部４０７が信号処理部４００内に設けられる点である。

本実施の形態の変形例５に係る３次元センシングシステム１００においては、ＡＩ部４０７は、３Ｄイメージ記憶部４１０に記憶され蓄積されたイメージデータを基に、３次元センシングシステム１００のセンシング結果を学習し、３次元センシングシステム１００による次回以降のセンシング処理（特に、送受信方向認識部４０５や距離検出部（ＴＯＦ）４１２）を、より適切に制御する。

変形例５に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例は、上記相違点以外は、図４４Ａに例示した変形例４に係る３次元センシングシステム１００のブロック構成例と同様である。

（組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムの変形例６）
本実施の形態の変形例６に係る組み合わせ動作モードによる３次元センシングシステムであって、タイムオブフライト（ＴＯＦ）測距システム６００のブロック構成例は、図４７に模式的に示すように表される。尚、ここでは、主にＬｉＤＡＲ動作モードによるセンシング例を説明する。

フラッシュ動作モードでは、ＴＯＦ測距システム６００は、測定対象物７００にレーザー光ＦＬを照射し、反射光が反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、測定対象物７００までの距離を測定する。また、ＬｉＤＡＲ動作モードでは、ＴＯＦ測距システム６００は、測定対象物７００にレーザー光Ａ，Ｂを照射し、反射光ＲＡ，ＲＢが反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、測定対象物７００までの距離を測定する。

ＴＯＦ測距システム６００は、ＦＬ光源２５０と、２ＤＰＣセルアレイ２０２と、ＰＷＭ変調制御部２０３と、位相差検出部２０５と、イメージセンサ３０２と、光学系３０４と、距離検出部４１２とを備える。尚、本出願の応用では、ＬｉＤＡＲ動作モードにおいても、フラッシュＬｉＤＡＲと同じ時間計測原理を使うため、ある程度のハルス幅が必要となる可能性があるが、パルス幅は変化させない動作も可能である。通常こうした測定のための応用では、なるべく時間の短い数ｎｓから十数ｎｓのパルスを繰り返し発生させる。繰り返し周波数は検出距離に応じて決める。最初のパルスの設定した距離からの反射が戻ってきて処理が完了した後に次のパルスを出す動作を行っている。

ＬｉＤＡＲ動作モードでは、２ＤＰＣ面発光レーザセルアレイ２０２は、ＰＷＭ変調制御部２０３によって基本周波数（例えば数１００ＭＨｚ）に振幅変調された双ビームＡ，Ｂを出射する。出射光Ａ，Ｂは、測定対象物７００にて反射し、反射光ＲＡ，ＲＢとして、光学系３０４を介してイメージセンサ３０２にて受光される。ここで、反射光がなければ、該当する方向に物体（測定対象物）が存在しないものと認識することができる。

位相差検出部２０５は、出射光Ａ，Ｂと反射光ＲＡ，ＲＢとの間の周波数の位相差を検出する。

距離検出部４１２は、位相差検出部２０５が検出した位相差から時間を求める距離演算回路４１２１と、距離演算回路４１２１が求めた時間に光速を乗算することで測定対象物７００までの距離を検出する距離データ検出部４１２２とを備える。

変形例６に係るＴＯＦ測距システム６００のＬｉＤＡＲ動作モードでは、以上の距離算定を、異なる出射方向に対して繰り返し実行する。

尚、図示していないが、変形例６に係るＴＯＦ測距システム６００においても、図２１Ａなどに例示したＡＩ部５０２や３Ｄイメージ記憶部４１０、対象物認識ロジック４１４、入力部５０６と出力部５０８を含むユーザＩ／Ｆ部５０４などを備えても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、高精度、高出力、小型化、堅牢性を有するとともに、センシング領域やセンシング対象への適応性が高く、複数のセンシングモードに対応可能な３次元センシングシステムを提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

本実施の形態に係る３次元センシングシステムは、例えば、車両等の周囲に存在する測定対象物までの距離や形状を検出する車載センサーなど、車両の安全運転を支援するセンシング技術として利用可能である他、高度な自動運転システムを実現するためのセンシング技術としても利用可能である。また、車両に限らず、航空機、人工衛星、宇宙船、船舶などにも適用可能である。さらに、地質学、地震学、海洋学など、幅広い分野に適用できる。

１０、１２０ＡＲ、２０２…２次元フォトニック結晶（２ＤＰＣ）面発光レーザセルアレイ
１２…駆動部
１４…制御部
１６…撮像レンズ
１８、３０２…イメージセンサ
２０、４００…信号処理部
２２…距離演算部
２４Ｉ１，２４Ｉ２…受光位置
２４Ｔ，２４Ｔ１，２４Ｔ２、７００…測定対象物
１００…３次元センシングシステム
１１８ＰＤ…フォトダイオード
１１８ＰＤＡＲ…２次元フォトダイオードセルアレイ
１２０…２次元フォトニック結晶面発光レーザセル
１３０…フィードバック制御部
１４０ＡＲ…２次元フォトダイオードアレイ駆動部
２００…信号送信部
２０３…ＰＷＭ変調制御部
２０４…ＦＢＰＤアレイ
２０５…位相差検出部
２５０…フラッシュ光源（ＦＬ光源）
２５１Ｔ…透明電極
２５２…窓状電極（上部電極）
３００…信号受信部
３０４…光学系
３５０…タイムオブフライト（ＴＯＦ）カメラ
４０２…２ＤＰＣセルアレイ駆動部
４０４…送信方向認識部
４０５…送受信方向認識部
４０６…受信方向認識部
４０７、５０２…人工知能（ＡＩ）部
４０８…制御部（ＣＰＵ）
４１０…３Ｄイメージ記憶部
４１２…距離検出部
４１４…対象物認識ロジック
４１５…フラッシュ光源駆動部（ＦＬ駆動部）
５００…メイン制御部（ＭＣＰＵ）
５０４…ユーザＩ／Ｆ部
５０６…入力部
５０８…出力部
６００…タイムオブフライト（ＴＯＦ）測距システム
３０２１…受光部
３０２２…垂直シフトレジスタ
３０２３…バイアス発生回路
３０２４…タイミング回路
３０２５…サンプル／ホールド回路
３０２６…水平シフトレジスタ
３０２７Ａ，３０２７Ｂ…バッファアンプ
４０２２…動作選択部
４０２４…ライダー動作制御部
４０２６…フラッシュライダー制御部
４０２８…構造化光切断制御部
４１２１…距離演算回路
４１２２…距離データ検出部

Claims (18)

1. 測定対象物に対してレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイを備える信号送信部と、
   前記信号送信部から出射され前記測定対象物で反射した反射光を受光する光学系およびイメージセンサを備える信号受信部と、
   ＬｉＤＡＲ動作モードと、フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードと、光切断法動作モードとを含む、前記レーザー光の光源の動作モードを制御する制御部と、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射された前記レーザー光の出射方向を認識する送信方向認識部と、前記動作モードに従って、前記送信方向認識部が認識した前記レーザー光の出射方向を基に前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部と、前記動作モードに従って、前記イメージセンサの撮像面での受光位置と出射から受光までの時間とから前記測定対象物までの距離を算定する距離検出部とを備える信号処理部と
   を備え、
   前記信号送信部は、出射した前記レーザー光のフィードバック制御を行うフィードバックフォトダイオードアレイをさらに備え、
   前記送信方向認識部は、前記フィードバックフォトダイオードアレイからのフィードバック情報に従って、前記信号送信部から出射された前記レーザー光の出射方向を認識する、３次元センシングシステム。
2. 前記信号処理部は、前記イメージセンサの撮像面での受光位置から前記反射光の受信方向を認識する受信方向認識部をさらに備え、
   前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部は、前記送信方向認識部が認識した前記レーザー光の出射方向と前記受信方向認識部が認識した前記反射光の受信方向とを基に前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う、請求項１に記載の３次元センシングシステム。
3. 前記信号処理部は、前記距離検出部の算定結果に基づいて、前記測定対象物の同定を行う対象物認識ロジックをさらに備える、請求項１又は２に記載の３次元センシングシステム。
4. 前記３次元センシングシステムが搭載されるメインシステム全体を制御するメイン制御部をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の３次元センシングシステム。
5. 前記信号処理部は、前記イメージセンサが撮像したイメージデータを記憶する３Ｄイメージ記憶部を備え、
   前記３次元センシングシステムは、前記３Ｄイメージ記憶部に記憶され蓄積された前記イメージデータを基に、前記３次元センシングシステムのセンシング結果を学習し、前記３次元センシングシステムによるセンシング処理を支援する人工知能部をさらに備える、請求項４に記載の３次元センシングシステム。
6. 前記メイン制御部に接続されるユーザインタフェース部をさらに備え、
   前記ユーザインタフェース部は、ユーザが前記３次元センシングシステムに対する指示を入力するための入力部と、前記３次元センシングシステムが検知したセンシング情報を前記ユーザに提示するための出力部とを備える、請求項４又は５に記載の３次元センシングシステム。
7. 前記動作モードが前記ＬｉＤＡＲ動作モードである場合、前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部は、前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部の１つの素子から双ビームを出射するように前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部を駆動制御する、請求項１に記載の３次元センシングシステム。
8. 前記距離検出部は、前記反射光を検出した場合、前記イメージセンサの撮像面での前記受光位置から前記出射されたレーザー光のどちらのビームに対する反射光であるのかを判定し、前記レーザー光の前記出射から前記受光までの時間を計測する、請求項７に記載の３次元センシングシステム。
9. 前記動作モードが前記フラッシュＬｉＤＡＲ動作モードである場合、前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの複数の素子から特定の領域に対して前記レーザー光を同時に出射するように前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイを駆動制御する、請求項１に記載の３次元センシングシステム。
10. 前記距離検出部は、前記反射光を検出した場合、前記イメージセンサの各画素における前記出射から前記受光までの時間を計測する、請求項９に記載の３次元センシングシステム。
11. 前記動作モードが前記光切断法動作モードである場合、前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイで生成したストライプ状のレーザー光を照射するように前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイを駆動制御する、請求項１に記載の３次元センシングシステム。
12. 前記距離検出部は、前記反射光を検出した場合、反射光像を撮像パターンとして取得し、前記撮像パターンにより三角測距を行い、前記測定対象物までの距離を算定して、ストライプ光１ライン分の３次元距離データを取得する、請求項１１に記載の３次元センシングシステム。
13. 特定の領域の全面に対してレーザー光を出射するフラッシュ光源と、
    前記特定の領域のうち狙った領域に対してレーザー光を出射する２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイと、
    フラッシュ動作モードとＬｉＤＡＲ動作モードとを組み合わせたレーザー光源の動作モードを制御する制御部と、
    前記制御部によって制御される前記動作モードに従って、前記フラッシュ光源の駆動制御を行うフラッシュ駆動部および前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部と、
    前記フラッシュ光源から出射されたレーザー光が前記特定の領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信し、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射されたレーザー光が前記狙った領域内に含まれる測定対象物で反射した反射光を受信する信号受信部と、
    前記動作モードに従って、前記信号受信部が受信した前記反射光を信号処理する信号処理部と、
    前記動作モードに従って、前記信号処理部が処理した信号に対して、前記測定対象物までの距離の算定処理を行う距離検出部と
    を備え、
    前記信号処理部は、前記フラッシュ光源から出射されて反射してきた反射光の信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域が前記特定の領域内にあるか否かを判定し、前記信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域がある場合、前記信号処理部は、前記信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域のみを狙って、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイからスポット的に前記レーザー光を照射するように前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部を制御する、３次元センシングシステム。
14. 前記信号処理部は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイからスポット的に出射されて反射してきた反射光の信号対雑音比が前記所定の閾値よりも低い領域があるか否かを判定し、判定の結果、前記反射光の信号対雑音比が所定の閾値よりも低い領域がある場合、前記信号処理部は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイから出射される光の強度を引き上げて、当該領域のみを狙って、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイからスポット的に前記レーザー光を照射するように前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部を制御する、請求項１３に記載の３次元センシングシステム。
15. 前記フラッシュ駆動部は、前記動作モードが前記フラッシュ動作モードである場合に前記フラッシュ光源の駆動制御を行う、請求項１３に記載の３次元センシングシステム。
16. 前記２次元フォトニック結晶セルアレイ駆動部は、前記動作モードが前記ＬｉＤＡＲ動作モードである場合に前記２次元フォトニック結晶面発光レーザセルアレイの駆動制御を行う、請求項１３に記載の３次元センシングシステム。
17. 前記フラッシュ光源から出射されるレーザー光を拡げるためのレンズ、若しくは拡散板を備える、請求項１３～１６のいずれか１項に記載の３次元センシングシステム。
18. 前記レンズは、ボールレンズ、グレーテッドインデックスレンズ又は複数レンズを組み合わせたレンズのいずれかを備える、請求項１７に記載の３次元センシングシステム。

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