JP2021510834A - 光を送信するための送信装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも1つの周波数で光を送信するための送信装置に関し、送信装置は、複数の異なる角度範囲に光を出射するように構成され、複数の角度範囲それぞれの光の周波数がそれぞれの周波数範囲内で時間に応じて変化させられるとともに、異なる角度範囲に対する複数の異なる周波数範囲内の周波数が異なる時間で重複しないように構成されている。

Description

本発明は、少なくとも1つの周波数の光を送信するための送信装置に関する。
本発明は、光を受信するための受信装置にも関する。
さらに本発明は、センサ装置、少なくとも1つの周波数の光を送信する方法、および複数の異なる周波数範囲の光を受信する方法に関する。
本発明は、任意の送信装置および受信装置に適用できるが、本発明は、光検出および測距のシステム、すなわちライダー(LiDAR)に関連して説明される。
既知のライダーシステムは、特定の方向に偏向される狭帯域レーザビームを使用する。レーザビームが物体に当たると、物体におけるその角度でのレーザビームの反射に基づいて物体との距離を決定することができる。この目的のために、例えば、FMCWの原理に基づいて線形の周波数ランプ(周波数変調連続波)が送信され、コヒーレント受信によって送信ランプと受信ランプとの間の周波数差が決定される。この周波数差に基づいて物体との距離を決定することができる。エリア内の物体を検出できるようにするために、エリアを2次元的に照射することができる。この目的のためには短い測定時間が必要とされ、これにより、通常は測定範囲、すなわち物体を検出することができる距離が短くなる。その理由は、距離が増大するにつれて、特定の距離に対する信号対雑音比が測定時間に線形に依存し、測定時間が長くなると、もはや測定が不可能になるからである。
さらに、特定の角度範囲を検出できるように複数のセンサを使用することが知られており、それぞれのセンサには角度範囲の個別の角度領域が割り当てられている。しかしながら、この場合には領域毎に個別の送受信経路が必要となる。さらに、多重反射が他の角度領域から生じることもある。
一実施形態では、本発明は、少なくとも1つの周波数の光を送信するための送信装置を提供し、送信装置は、複数の異なる角度範囲(100、101)に光を出射するように構成され、複数の角度範囲それぞれの光の周波数がそれぞれの周波数範囲内で時間に応じて変化させられるとともに、異なる角度範囲対する複数の異なる周波数範囲内の周波数が異なる時間で重複しないように構成されている。
さらなる実施形態では、本発明は、光を受信するための受信装置を提供し、時間とともに変化する複数の異なる周波数範囲の周波数を分離するための分離装置と、受信された光を電気信号に変換するための少なくとも1つの検出器とが配置されている。
さらなる実施形態では、本発明は、請求項1から6までの少なくともいずれか1項に記載の送信装置と、請求項7〜9までのいずれか1項に記載の受信装置とを有するセンサ装置を提供する。
さらなる実施形態では、本発明は、少なくとも1つの周波数の光を送信するための方法を提供し、光は複数の異なる角度範囲に出射され、角度範囲それぞれの光の周波数がそれぞれの周波数範囲内で時間に応じて変化し、異なる角度範囲に対する複数の異なる周波数範囲内の周波数が異なる時間で重複しないようにされる。
さらなる実施形態では、本発明は、特に請求項11に記載の方法により送信された、複数の異なる周波数範囲の光を受信する方法を提供し、時間とともに変化する複数の異なる周波数範囲の周波数が分離され、特に受信された光が電気信号に変換される。
言い換えれば、送信装置によって光が複数の異なる角度範囲に送信され得、反射された光は、受信装置によって再び受信され得る。
複数の送信機および/または複数の受信機、すなわち複数の送受信経路を必要とすることなしに、複数の角度範囲を同時に照射できることが利点の1つである。別の利点は、このようにして、それぞれの周波数範囲を変化させるための測定時間が増大し、これにより信号対雑音比を改善することができ、このことが、最終的に、センサ装置によって物体を検出される場合の測定範囲を増大することとなる。さらに別の利点は、例えば、いくつかの水平面を同時に照射することができるので、フレキシビリティが増すことである。
本発明のさらなる特徴、利点、およびさらなる実施形態を以下に説明し、明らかにする。
有利なさらなる実施形態によれば、送信装置は、角度範囲それぞれでの周波数を時間とともに直線的に変化させるように、好ましくは、開始周波数から終了周波数まで変化させるように構成されている。これにより達成される利点の1つは、周波数範囲全体にわたって時間の経過に伴う周波数の単純な変化が可能になることである。さらに、周波数の明確な時間割り当てが可能になるので、後の評価も単純化される。
さらなる有利な実施形態によれば、光源と、当該光源からの光の周波数の時間に応じた変化を生成するための変調装置とが配置されている。変調装置によって、光源、例えばレーザからの光を簡単にかつ同時に信頼できる変調を行うことが可能となる。
さらなる有利な実施形態によれば、変調装置は、異なる周波数範囲の各々のための変調器を備える。このことは、特に信頼できる変調を可能にする。
さらなる有利な実施形態によれば、変調装置は、周波数範囲を時間とともに変化させるための変調器と、複数の異なる周波数範囲を生成するための少なくとも1つのさらなる変調器とを有する。このようにして達成される利点の1つは、周波数範囲の分離および当該周波数範囲それぞれの時間変化によって異なる周波数範囲における周波数の特に信頼できる変化を提供できることである。例えば、位相変調器により、異なる範囲間の周波数オフセットを生成することができる。この場合、位相は時間とともに変化するように変調され、これにより周波数オフセットが生成される。このような変調器の例は、電荷キャリア密度の変調に基づくもの、またはポッケルス効果またはカー効果などの電気光学効果に基づくものである。
さらなる有利な実施形態によれば、各周波数範囲に対して別個の光源が配置されている。このようにして、異なる特性を有する異なる光源を使用することができ、これにより全体としてフレキシビリティが増す。
さらなる有利な実施形態によれば、各周波数範囲に対して別個の検出器が配置されている。したがって、周波数範囲それぞれの受信光に検出器を適合させることができるので、特に信頼できる光の検出を達成することができる。
さらなる有利な実施形態によれば、分離装置は、特に光リング発振器の形態のノッチフィルタを有する。ノッチフィルタを用いて、異なる周波数ランプを有する受信光をそれぞれ1つの周波数ランプを有する光に確実に分離することができる。
本発明のさらなる重要な特徴および利点が、従属請求項、図面および図面に基づいた説明から明らかになる。
上述した特徴および以下に説明する特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、それぞれ特定した組合せのみならず、他の組合せまたは単独で用いることができることは言うまでもない。
本発明の好ましい構成および実施形態を図面に示し、以下の説明に詳述し、同じ参照記号は、同一もしくは類似の、または機能的に同じ構成要素もしくは要素に関する。
本発明の第1の実施形態による周波数の時間的変化を示す時間−周波数表現である。 本発明の第2の実施形態による送信装置を示す図である。 本発明の第3の実施形態による送信装置を示す図である。 本発明の第4の実施形態による送信装置を示す図である。 本発明の第5の実施形態による送信装置を示す図である。 本発明の第6の実施形態による受信装置を示す図である。 本発明の第7の実施形態による受信装置を示す図である。 本発明の第8の実施形態によるセンサ装置を示す図である。
図1は、第1の実施形態による周波数の時間的変化の時間−周波数表現を示す。
図1は、周波数ランプの時間−周波数表現を示しており、最上部の周波数ランプ6cのベースバンドは、ここでは破線で示されている。詳細には、図1は時間周波数表現1を示し、周波数3は時間2に対してプロットされている。3つの周波数ランプ5a、5b、5cが示され、それぞれが同じ時間間隔で同じ勾配で上昇している。周波数ランプ5a、5bは、それぞれの開始周波数が周波数差4aだけ異なり、2つの周波数ランプ5b、5cは周波数差4bだけ異なる。周波数差4a、4bは同じであっても異なっていてもよい。図1において、第1のランプ5aの開始周波数f STARTは最も低く、第3の周波数ランプ5cの開始周波数f STARTは最も高い。直線的な上昇により、それぞれの周波数ランプ5a、5b、5cのそれぞれの終了周波数fa,b,c ENDEは、それぞれの開始周波数fa,b,c, STARTよりも高い。もちろん、反転した周波数ランプ、もしくは直線的に下降する周波数ランプも可能である。図1では、3つの周波数ランプ5a、5b、5cが示されているが、他の任意の数の周波数ランプも可能である。
周波数ランプ5a、5b、5cは以下の方法で生成することができる。光源、例えばレーザからの光は3つの異なる位相変調器によって生成され、3つの線形の周波数ランプ5a、5b、5cは変調される。3つの周波数ランプ5a、5b、5cは、開始周波数f START、f START=f START+Δf、f START=f START+Δf+Δfによって異なり、異なる開始周波数fSTART、fSTART+Δf、fSTART+Δf+Δfの間のオフセット周波数4a、4bは、周波数偏差、すなわち、周波数ランプ5a、5b、5cそれぞれの開始周波数と終了周波数との間の差fa,b,c ENDE−fa,b,c STARより必ずしも大きい必要はない。周波数ランプ5a、5b、5cは、受信時にそれぞれのベースバンド6に混合することができ、これはいわゆる「デチャーピング」として知られる。この場合、変調は解除され、周波数ランプ5a、5b、5cは分離される。それぞれのベースバンド6が周波数の点で互いに十分に離れている限りは、特にベースバンドが重複しない限り、周波数ランプ5a、5b、5cは少なくとも部分的に同じ周波数範囲に位置していてもよく、この場合、ある時点におけるある周波数範囲の周波数は、他の周波数範囲の周波数とは異なることとなる。図1には、最上部の周波数ランプ5cのベースバンド6cのみが示されている。一般に、他の周波数の変化の形態、例えば、図1の直線的な上昇の代わりに、直線的な上昇とこれに続く直線的な降下も可能である。
図2は、本発明の第2の構成による送信装置を示す。
図2には、3つの変調器11と、レーザ10の形態の光源とを備えた送信装置21が示されている。レーザ10は、特定の周波数fSTARTで光を送り、この光は、3つの変調器11a、11b、11cによって変調されて、線形の周波数ランプ5a、5b、5cが生成される。言い換えれば、1つの変調器11a、11b、11cがそれぞれ周波数ランプ11a、11b、11cを変調する。その後、生成された3つの周波数ランプ5a、5b、5cの光は送信光学系12によって出射される。
図3は、本発明の第3の実施形態による送信装置を示す。
図3は、レーザ10と、周波数ランプを生成するための変調器11aと、周波数オフセット4a、4bを生成するための2つの変調器11b、11cとを備えた送信装置21を示す。ここで、周波数ランプ5a、5b、5cを生成するために1つの変調器11のみが使用される。レーザ10の光に対して変調器11によって生成された線形の周波数ランプは、次に3つの経路5a、5b、5cに分岐され、3つのうちの2つの経路5b、5cで周波数オフセット4a、4bだけシフトがなされる。この周波数オフセット4a、4bは、位相変調器によっても生成可能である。位相は、時間とともに変化するように変調され、これにより周波数オフセット4a、4bが生成される。このような変調器は、例えば、電荷キャリア密度の変調、または、例えばポッケルス効果もしくはカー効果などの電気光学効果に基づいている。
図4は、本発明の第4の実施形態による送信装置を示す。
図4は、本質的には、図2による送信装置21を示している。図2の3つの変調器11a、11b、11cとは異なり、図4に示す変調器11は、レーザ10の光に対して3つの周波数ランプ5a、5b、5cの全てを変調できるように広帯域に構成されている。
図5は、本発明の第5の実施形態による送信装置を示す。
図5は、本質的には図2による送信装置21を示している。図2による送信装置21とは異なり、図5に示す送信装置21は、3つのレーザ10a、10b、10cを搭載し、これらレーザ10a、10b、10cにそれぞれ割り当てられた変調器11a、11b、11cによって、周波数fSTART、f’START、f’’STARTの光信号が周波数ランプ5a、5b、5cで与えられる。次に、周波数ランプ5a、5b、5cを有する対応する変調光は、送信光学系12を介して一緒に出射される。
図1〜図5に示す変調光信号は、示されるとおり、送信光学系12を介して空間に放射される。この場合、各変調光信号に対して、例えばマイクロメカニカルスキャナまたは光位相アレイなどの形態の個別の送信光学系12が配置可能であり、送信光学系12は所定の角度範囲に放射するので、他の/さらなる送信光学系の異なる角度範囲は重複することがない。あるいは、送信装置21は、様々な周波数範囲、特に異なるランプ5a、5b、5cの平均波長が、送信光学系12によって様々な角度範囲に自動的に放射されるように構成され得る。そして、図5の変調された3つのレーザビーム10a、10b、10cのそれぞれの光は結合されて、同じ送信光学系12を介して出射される。変調光の複数の異なる周波数は、複数の異なる立体角への所望のビーム偏向をもたらす。ランプ5a、5b、5c間の周波数オフセット4a、4bは十分に大きくなるように選択されているので、図5の実施形態はこの目的のために特に有利である。
図6は、本発明の第6の実施形態による受信装置を示す。
図6には、3つの検出器15a、15b、15cを備えた受信装置22が示されている。受信装置22の受信光学系13で受信された光は、検出器15a、15b、15cに達する前に、まず分離装置14によって分離される。言い換えれば、混合の前、すなわち光信号を電気信号に変換する前に、複数の周波数ランプ5a’、5b’、5c’を含む受信光信号は、例えば、特に光リング共振器の形態のノッチフィルタを通して分離される。周波数ランプ5a’、5b’、5c’はそれぞれ検出器15a、15b、15cに供給される。これに先立ち、各受信周波数ランプ5a’、5b’、5c’は、コヒーレントな受信を確保するために、対応する送信ランプ5a、5b、5cと重畳される。より正確には、対応する検出器15a、15b、15cで対応する周波数ランプ5a’、5b’、5c’の光が検出された後、そのように重畳された各周波数ランプ5a’、5b’、5c’の光信号は、当該対応する送信ランプ5a、5b、5cと混合されてそれぞれベースバンド6となり、次いでFMCWの原理にしたがって公知の方法で評価され得る。
図7は、本発明の第7の実施形態による受信装置を示す。
図7には、検出器15を備えた受信装置22が示されている。受信光学系13によって受信された光は、例えば1つまたは2つのフォトダイオードを有する検出器15に供給される。次いで、受信された周波数ランプ5a’、5b’、5c’のいずれか1つの光は、対応する送信ランプ5a、5b、5cの光と重畳される。続いて、全ベースバンド6、すなわち、送信された周波数ランプ5a、5b、5cそれぞれの周波数ランプ5a’、5b’、5c’を有する全てのベースバンド6a、6b、6cがサンプリングされ得るか、あるいは、バンドパスフィルタおよび/または電気ミキサーが、各ベースバンド6で周波数ランプ5a、5b、5cを分離するために使用され得る。特に、検出器15の帯域幅に対する周波数ランプ5a、5b、5cの周波数差4a、4bが適宜に選択されるので、検出器15は、全てのランプ5a、5b、5cを受信するように構成されている。
図8は、本発明の第8の実施の形態によるセンサ装置を示す。
図8には、ライダーシステムの形態のセンサ装置20が示されている。センサ装置20は、図1の実施形態における送信装置21と、図7の実施形態における受信装置とを備える。送信装置21は、異なる周波数ランプ5a、5bを有する光を異なる角度範囲100、101に放射する。角度範囲100におけるセンサ装置の測定範囲内に位置する物体30は、当該周波数ランプ5aの放射光を反射させる。次いで、物体30で反射された周波数ランプ5a′の光は、受信装置22によって受信される。次に、センサ装置20は、受信された光を評価し、センサ装置20からの物体30の距離を決定することができる。
要約すると、本発明の実施形態のうちの少なくとも1つは、以下の利点のうちの少なくとも1つを有する。
・複数の異なる角度範囲への同時送信および1つのみの受信ユニットによる反射光の受信、
・複数の角度範囲の同時照射、
・ランプ毎の測定時間の拡大およびこれによる信号対雑音比の向上、
・より広い測定範囲、
・ライダーシステムの並列化が可能であること、
・多重反射による誤検出が少なく、信頼性が高いこと、
・シンプルな構造、
・簡単な実装。
本発明は、好ましい例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、これらに限定されるものではなく、むしろ多様に変更することができる。

Claims (12)

  1. 少なくとも1つの周波数の光を送信するための送信装置(21)であって、複数の異なる角度範囲(100、101)に光を出射するように構成され、前記角度範囲(100、101)それぞれの当該光の周波数が、それぞれの周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)内で時間に応じて変化させられるとともに、異なる角度範囲(100、101)に対する複数の異なる周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)内の周波数が異なる時間(2)で重複しないように構成されている送信装置(21)。
  2. 請求項1に記載の送信装置であって、前記角度範囲(100、101)それぞれでの周波数(3)を時間とともに直線的に変化させるように、好ましくは、開始周波数(f START、f START、f START)から終了周波数(f ENDE、f ENDE、f ENDE)まで変化させるように構成されている送信装置。
  3. 請求項1または2に記載の送信装置であって、光源(10、10a、10b、10c)と、前記光源(10、10a、10b、10c)の光の周波数の時間に応じた変化を生成する変調装置(11、11a、11b、11c)とが配置されている、送信装置。
  4. 請求項3に記載の送信装置であって、前記変調装置(11、11a、11b、11c)は、異なる周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)の各々のための変調器(11a、11b、11c)を含む、送信装置。
  5. 請求項3に記載の送信装置であって、前記変調装置は、周波数範囲を時間とともに変化させるための変調器(11a)と、複数の異なる周波数範囲を生成するための少なくとも1つのさらなる変調器(11b、11c)とを有する、送信装置。
  6. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の送信装置であって、各周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)のために別個の光源(10a、10b、10c)が配置されている、送信装置。
  7. 光を受信するための受信装置(22)、特に請求項1から6までのいずれか1項に記載の送信装置(21)を有し、送信された光を受信するための受信装置(22)であって、
    時間とともに変化する複数の異なる周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)の周波数(3)を分離するための分離装置(14)と、当該受信された光を電気信号に変換するための少なくとも1つの検出器(15、15a、15b、15c)とが配置されている、受信装置(22)。
  8. 請求項7に記載の受信装置であって、別個の検出器(15a、15b、15c)が周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)ごとに配置されている、受信装置。
  9. 請求項7または8に記載の受信装置であって、前記分離装置(14)は、特に光リング発振器の形態のノッチフィルタを有する、受信装置。
  10. 請求項1から6までの少なくとも1項に記載の送信装置(21)と、
    請求項7から9までのいずれか1項に記載の受信装置(22)と
    を備えたセンサ装置(20)。
  11. 少なくとも1つの周波数(3)の光を送信する方法であって、
    複数の異なる角度範囲(100、101)それぞれの光の周波数をそれぞれの周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)内で時間に応じて変化させ(5a、5b、5c)、異なる角度範囲(100、101)に対する複数の異なる周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)内の周波数が異なる時間(2)で重複しないように、複数の異なる角度範囲(100、101)に光を出射する方法。
  12. 複数の異なる周波数範囲の光を受信する方法、特に請求項11に記載の方法により出射された光を受信する方法であって、
    時間とともに変化する複数の異なる周波数範囲(f START、f ENDE、f START、f ENDE、f START、f ENDE)の周波数(3)を分離し(14)、特に当該受信された光を電気信号に変換する、方法。
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