DE112021005793T5

DE112021005793T5 - Lichterfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021005793T5
Application number: DE112021005793.6T
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Onda; Kenichi Yanai; Hitoshi Yamada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-09-21
Also published as: JP7367656B2; CN116438480A; JP2022074195A; US20230305113A1; WO2022097468A1

Abstract

Eine LiDAR-Vorrichtung (100) ist eine Lichterfassungsvorrichtung mit einer Lichtemissionseinheit (20), einer Lichtempfangseinheit (40) und einer optischen Einheit (60). Bei der Lichtemissionseinheit (20) sind mehrere VCSEL-Elemente, die jeweils einen Lichtstrahl (SB) emittieren, entlang einer Lichtquellen-Array-Richtung (ADs) angeordnet. Die Lichtempfangseinheit (40) empfängt einen reflektierten Lichtstrahl (RB) aus einem Messbereich. Die optische Einheit (60) enthält ein erstes optisches Element (61) und ein zweites optisches Element (71) und bildet einen Projektionslichtstrahl (PB), der sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung (ADs) erstreckt. Das erste optische Element (61) hat eine negative Brechkraft entlang einer Übertragungsrichtung des Lichtstrahls (SB) auf einer Hauptabtastebene (MS), die orthogonal zur Lichtquellen-Array-Richtung (ADs) verläuft. Das zweite optische Element (71) befindet sich hinter dem ersten optischen Element (61) und hat eine positive Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung auf der Hauptabtastebene (MS), die orthogonal zur Lichtquellen-Array-Richtung (ADs) verläuft.

Description

QUERVERWEIS AUF IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der am 3. November 2020 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-184034 . Auf die Offenbarung der obigen Anmeldung ist hiermit vollinhaltlich Bezug genommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Lichterfassungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Patentdokument 1 offenbart eine optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle, in der mehrere Lichtemissionselemente eindimensional in vorbestimmten Intervallen angeordnet sind, und einem Liniengenerator, der das Licht der mehreren Lichtemissionselemente in Linienlicht umwandelt. Die optische Vorrichtung projiziert das Linienlicht auf ein Messobjekt. Der in Patentdokument 1 offenbarte Liniengenerator weist eine Konfiguration mit einer plankonvexen Zylinderlinse mit einer konvexen Oberfläche auf.
STAND-DER-TECHNIK-LITERATUR
PATENTLITERATUR
Patentdokument 1: JP 2020 - 34 310 A
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Wenn zum Beispiel Linienlicht auf ein entferntes Messobjekt projiziert wird, wie in Patentdokument 1 gezeigt, kann die Streuung des Linienlichts Speckle-Rauschen verursachen. Um die Zunahme der Breite des Linienlichts zu unterdrücken, ist es daher wünschenswert, eine lange Brennweite des Liniengenerators zu reservieren, indem die Linsenform der plankonvexen Zylinderlinse angepasst wird. Wenn jedoch eine lange Brennweite vorgesehen ist, muss die Lichtquelle an einer vom Liniengenerator entfernten Position angeordnet werden, was die Größe des optischen Systems erhöhen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Lichterfassungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Zunahme in der Größe eines optischen Systems zu unterdrücken, während sie die Zunahme der Breite einer Linienform des Projektionslichtstrahls unterdrückt.
Gemäß einem Aspekt wird die obige Aufgabe durch eine Lichterfassungsvorrichtung gelöst, die aufweist:

eine Lichtemissionseinheit mit mehreren Lichtemittern, die entlang einer spezifischen Array-Richtung angeordnet und konfiguriert sind, um einen Lichtstrahl zu emittieren;
eine optische Einheit, die auf einem optischen Pfad des von der Lichtemissionseinheit emittierten Lichtstrahls positioniert und konfiguriert ist, um einen Projektionslichtstrahl zu formen, der sich entlang der spezifischen Array-Richtung erstreckt; und
eine Lichtempfangseinheit, die konfiguriert ist, um ein zurückkehrendes Licht des auf einen Messbereich projizierten Projektionslichtstrahls zu empfangen.
Die optische Einheit enthält:
- ein erstes optisches Element mit einer negativen Brechkraft bzw. Leistung (negative power) entlang einer Strahlübertragungsrichtung in einem spezifischen Abschnitt, der orthogonal zur spezifischen Array-Richtung verläuft; und
- ein zweites optisches Element, das hinter dem ersten optischen Element angeordnet ist und eine positive Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung in dem spezifischen Abschnitt aufweist.

Gemäß dem oben beschriebenen Aspekt ist das erste optische Element mit einer negativen Brechkraft vor dem zweiten optischen Element mit einer positiven Brechkraft entlang des spezifischen Abschnitts orthogonal zur spezifischen Array-Richtung der Lichtemissionseinheiten angeordnet. Daher wird eine Hauptebene aus einer Kombination des ersten optischen Elements und des zweiten optischen Elements hinter dem zweiten optischen Element definiert, bei Beobachtung in dem spezifischen Abschnitt. Demnach ist es möglich, eine Anordnung zu realisieren, bei der die Lichtemissionseinheit näher an die optische Einheit gebracht wird, während die Brennweite einer Gruppe der optischen Elemente reserviert wird. Dadurch ist es möglich, die Vergrößerung des optischen Systems zu unterdrücken, während die Vergrößerung der Breite des linienförmigen Projektionslichtstrahls, der sich in der spezifischen Array-Richtung erstreckt, unterdrückt wird.
Die Bezugszeichen in Klammern in den Ansprüchen sind lediglich Beispiele für die Übereinstimmung mit den spezifischen Komponenten in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und schränken den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise ein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration einer LiDAR-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines VCSEL-Arrays;
3 zeigt eine Perspektivansicht zur Veranschaulichung einer Linsenkonfiguration einer optischen Einheit;
4 zeigt eine Abbildung zur Erläuterung einer optischen Wirkung der optischen Einheit auf einer Hauptabtastebene;
5 zeigt eine Abbildung zur Erläuterung der optischen Wirkung der optischen Einheit auf einer Unterabtastebene;
6 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 eine Abbildung zur Erläuterung einer Struktur der optischen Einheit auf der Hauptabtastebene;
8 eine Abbildung zur Erläuterung einer Struktur der optischen Einheit auf der Unterabtastebene;
9 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
10 zeigt eine weitere Abbildung zur Erläuterung einer Struktur der optischen Einheit auf der Hauptabtastebene;
11 zeigt eine weitere Abbildung zur Erläuterung einer Struktur der optischen Einheit auf der Unterabtastebene;
12 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
13 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
14 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
15 zeigt eine Abbildung zur Erläuterung der optischen Wirkung eines Homogenisators;
16 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration der LiDAR-Vorrichtung gemäß einer Modifikation 1; und
17 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung von Modifikationen 2 bis 7 des VCSEL-Arrays.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind entsprechende Komponenten in jeder Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen versehen, um Wiederholungen zu vermeiden. In jeder der Ausführungsformen kann, wenn nur ein Teil der Konfiguration beschrieben ist, der verbleibende Teil der Konfiguration entsprechende Teile anderer Ausführungsformen übernehmen. Zusätzlich zu den Kombinationen von Konfigurationen, die speziell in verschiedenen Ausführungsformen gezeigt sind, sind die Konfigurationen verschiedener Ausführungsformen teilweise kombinierbar, auch wenn sie nicht ausdrücklich vorgeschlagen sind, es sei denn, solche Kombinationen sind widersprüchlich. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass Kombinationen von Konfigurationen, die in den Ausführungsformen erwähnt sind, und Modifikationen, die nicht ausdrücklich offenbart sind, in der folgenden Beschreibung umfasst sind.
(Erste Ausführungsform)
Eine in den 1 bis 5 gezeigte LiDAR-Vorrichtung 100 (LiDAR: Light Detection and Ranging oder Laser Imaging, Detection and Ranging) gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung fungiert als eine Lichterfassungsvorrichtung. Die LiDAR-Vorrichtung 100 wird an einem Fahrzeug als ein mobiles Objekt montiert. Die LiDAR-Vorrichtung 100 ist beispielsweise in einem vorderen Abschnitt, einem linken und rechten Seitenabschnitt, einem hinteren Abschnitt, auf einem Dach des Fahrzeugs oder dergleichen angeordnet. Die LiDAR-Vorrichtung 100 tastet einen vorbestimmten Feldbereich (im Folgenden als Messbereich bezeichnet) in der Nähe des Fahrzeugs außerhalb der Vorrichtung mit einem projizierten Lichtstrahl bzw. Projektionslichtstrahl PB ab. Die LiDAR-Vorrichtung 100 erfasst ein zurückkehrendes Licht (im Folgenden als reflektierter Lichtstrahl RB bezeichnet), das aus einer Reflexion des auf den Messbereich gestrahlten und von einem Messobjekt reflektierten Projektionslichtstrahls PB resultiert. Als der Projektionslichtstrahl PB wird in der Regel Licht im nahen Infrarotbereich verwendet, das für den Menschen im Außenbereich visuell schwer zu erkennen ist.
Die LiDAR-Vorrichtung 100 kann das Messobjekt durch Erfassen des reflektierten Lichtstrahls RB messen. Die Messung des Messobjekts umfasst beispielsweise eine Messung einer Richtung (d.h. einer relativen Richtung), in der sich das Messobjekt befindet, eine Messung einer Distanz (d.h. einer relativen Distanz) von der LiDAR-Vorrichtung 100 zum Messobjekt und dergleichen. Zu den typischen Objekten, die von der an einem Fahrzeug angebrachten LiDAR-Vorrichtung 100 gemessen werden, gehören sich bewegende Objekte wie Fußgänger, Radfahrer, nichtmenschliche Tiere und andere Fahrzeuge oder Strukturen wie Leitplanken (d.h. Geländer am Straßenrand), Straßenschilder, straßenseitige Strukturen und Gebäude, ein stationäres Objekt wie ein gefallenes Objekt und dergleichen.
In Bezug auf die an einem Fahrzeug montierte LiDAR-Vorrichtung 100 beziehen sich, sofern nicht anders beschrieben, die Richtungen vorne, hinten, oben, unten, links und rechts auf ein in einer horizontalen Ebene stillstehendes Fahrzeug. Außerdem zeigt die horizontale Richtung eine tangentiale Richtung an, die tangential zur horizontalen Ebene verläuft, und die vertikale Richtung zeigt eine Richtung orthogonal zur horizontalen Ebene.
Die LiDAR-Vorrichtung 100 enthält eine Lichtemissionseinheit 20, eine Abtasteinheit 30, eine Lichtempfangseinheit 40, einen Controller 50, eine optische Einheit 60 und ein Gehäuse, das diese Komponenten beherbergt.
Das Gehäuse bildet eine äußere Hülle der LiDAR-Vorrichtung 100. Das Gehäuse ist aus einem lichtabschirmenden Behälter, einer Abdeckplatte und dergleichen aufgebaut. Der lichtabschirmende Behälter ist aus einem lichtabschirmenden Kunstharz, Metall oder dergleichen aufgebaut und weist als Ganzes eine im Wesentlichen rechteckige, parallelepipedische Kastenform auf. In dem lichtabschirmenden Behälter sind eine Unterbringungskammer und ein optisches Fenster ausgebildet. Die Unterbringungskammer beherbergt die wichtigsten optischen Komponenten der LiDAR-Vorrichtung 100. Das optische Fenster ist eine rechteckige Öffnung, durch die sowohl der Projektionslichtstrahl PB als auch der reflektierte Lichtstrahl RB zwischen der Unterbringungskammer und dem Messbereich hin- und herlaufen können. Die Abdeckplatte ist ein Deckel aus lichtdurchlässigem Material wie Kunstharz, Glas oder dergleichen. Die Abdeckplatte ist mit einem transmittierenden Abschnitt versehen, der den Projektionslichtstrahl PB und den reflektierten Lichtstrahl RB durchlässt. Die Abdeckplatte ist so an dem lichtabschirmenden Behälter angebracht, dass der transmittierende Abschnitt das optische Fenster des lichtabschirmenden Behälters abdeckt. Das Gehäuse wird vom Fahrzeug so gehalten, dass die Längsrichtung des optischen Fensters mit der horizontalen Richtung des Fahrzeugs übereinstimmt.
Die Lichtemissionseinheit 20 enthält mehrere VCSEL-Arrays (VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser oder oberflächenemittierender Diodenlaser) 21 und ein Abdeckglas 27 (siehe 4 und 5), das jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 schützt. Das VCSEL-Array 21 weist insgesamt die Form einer langen, rechteckigen Platte auf. Ein Lichtemissionsbereich 22 ist in einer Längsform auf einer Oberfläche einer Platte jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 ausgebildet. Jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 ist auf einem Hauptsubstrat der Lichtemissionseinheit 20 so angebracht, dass jeder der Lichtemissionsbereiche 22 im Wesentlichen in dieselbe Richtung weist. Die mehreren VCSEL-Arrays 21 sind in einer Linie mit Abständen dazwischen angeordnet. Eine spezifische Richtung, in der die mehreren VCSEL-Arrays 21 angeordnet sind, ist als Lichtquellen-Array-Richtung ADs bezeichnet. Jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 wird auf dem Hauptsubstrat so gehalten, dass die Längsrichtung des Lichtemissionsbereichs 22 mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs ausgerichtet ist. Die Lichtemissionseinheit 20 wird durch einen Linsentubus der optischen Einheit 60 oder einen lichtabschirmenden Behälter in einer solchen Position gehalten, dass jeder der Lichtemissionsbereiche 22 der optischen Einheit 60 und der Abtasteinheit 30 zugewandt ist.
Im Lichtemissionsbereich 22 des VCSEL-Arrays 21 ist eine große Anzahl von (d.h. mehrere) VCSEL-Elementen 23, d.h. Laserdioden, angeordnet (siehe 2). Das VCSEL-Element 23 weist einen Resonator für eine Laseroszillation auf. Der Resonator enthält eine p-leitende Halbleiterschicht, eine n-leitende Halbleiterschicht, eine aktive Schicht zwischen diesen Schichten, ein Paar reflektierender Spiegel, die so angeordnet sind, dass sie die aktive Schicht zwischen sich aufweisen, sowie weitere Komponenten. Ein DBR (Distributed Bragg Reflector), der durch Stapeln von Halbleitern oder Dielektrika gebildet wird, dient als das Paar reflektierender Spiegel. Das VCSEL-Element 23 verstärkt das in der aktiven Schicht erzeugte Licht durch Anlegen einer Spannung an jede der Halbleiterschichten durch stimulierte Emission und erzeugt phasenangepasstes kohärentes Laserlicht durch wiederholte Reflexion an dem Paar reflektierender Spiegel. Das VCSEL-Element 23 weist eine Laseremissionsoberfläche 24 auf, die auf seiner kreisförmigen Oberseite ausgebildet ist, und emittiert Laserlicht von der Laseremissionsoberfläche 24 in einer Richtung orthogonal zu einer Substratoberfläche des Elements.
Im Lichtemissionsbereich 22 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 zweidimensional in Intervallen zueinander angeordnet. Jedes der VCSEL-Elemente 23 ist regelmäßig in dem Lichtemissionsbereich 22 angeordnet, wobei die Laseremissionsoberfläche 24 auf eine Normalenrichtung des Lichtemissionsbereichs 22 ausgerichtet ist (siehe Z-Richtung in 2). Jedes der VCSEL-Elemente 23 ist elektrisch mit dem Controller 50 verbunden und emittiert Nahinfrarot-Laserlicht als Lichtstrahl SB zu einem Lichtemissionstiming entsprechend einem elektrischen Signal vom Controller 50. Eine Gesamtheit (Aggregat) einer großen Anzahl von Lichtstrahlen SB, die von jedem der VCSEL-Elemente 23 emittiert werden, ergibt den oben beschriebenen Projektionslichtstrahl PB.
In der Lichtemissionseinheit 20 wird eine Laseroszillationsöffnung 25 mit einer Linienform, d.h., die sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstreckt, pseudomäßig durch die oben beschriebene Konfiguration gebildet, in der das VCSEL-Array 21 mit einer großen Anzahl von VCSEL-Elementen 23 in einer einzigen Reihe angeordnet ist. Die Normale zur Mitte der Laseroszillationsöffnung 25 ist eine optische Achse des Lichtstrahls SB in der Lichtemissionseinheit 20 (im Folgenden als Lichtstrahlachse BLA bezeichnet). Die Abmessung (d.h. eine Längsabmessung) der Laseroszillationsöffnung 25 entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs ist so eingestellt, dass sie deutlich größer ist als die Abmessung (d.h. eine Breitenabmessung) entlang der Breitenrichtung orthogonal zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs, wie beispielsweise das 100-fache oder mehr der Breitenabmessung. Zwischen den mehreren VCSEL-Arrays 21 ist ein vorbestimmter Abstand vorgesehen bzw. reserviert, um z.B. Kühlleistung und Herstellbarkeit zu gewährleisten. Infolgedessen entsteht in der Laseroszillationsöffnung 25 zwangsläufig ein Nicht-Lichtemitter 25x (siehe 1) aufgrund des Spalts zwischen den Arrays.
Die Abtasteinheit 30 projiziert den von jedem der VCSEL-Elemente 23 emittierten Lichtstrahl SB als einen Projektionslichtstrahl PB, um den Messbereich abzutasten. Darüber hinaus bewirkt die Abtasteinheit 30, dass der durch den Messbereich reflektierte Lichtstrahl RB in die Lichtempfangseinheit 40 eintritt. Die Abtasteinheit 30 enthält einen Antriebsmotor 31, einen Abtastspiegel 33 und dergleichen.
Der Antriebsmotor 31 ist z.B. ein Schwingspulenmotor, ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor, ein Schrittmotor oder dergleichen. Der Antriebsmotor 31 weist einen Wellenabschnitt 32 auf, der mechanisch mit dem Abtastspiegel 33 verbunden ist. Der Wellenabschnitt 32 ist entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs angeordnet und definiert eine Drehachse AS des Abtastspiegels 33. Die Drehachse AS verläuft im Wesentlichen parallel zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs. Der Antriebsmotor 31 treibt den Wellenabschnitt 32 mit einem Drehbetrag und einer Drehgeschwindigkeit entsprechend dem elektrischen Signal vom Controller 50 an.
Der Abtastspiegel 33 dreht sich hin und her um die durch den Wellenabschnitt 32 definierte Drehachse AS und schwingt dabei in einem endlichen Winkelbereich RA. Der Winkelbereich RA des Abtastspiegels 33 kann durch einen mechanischen Anschlag (Stopper), einen elektromagnetischen Anschlag, eine Antriebssteuerung oder dergleichen eingestellt werden. Der Winkelbereich RA wird so begrenzt, dass der Projektionslichtstrahl PB das optische Fenster des Gehäuses nicht verlässt.
Der Abtastspiegel 33 weist einen Körperabschnitt 35 und eine reflektierende Oberfläche 36 auf. Der Körperabschnitt 35 hat die Form einer flachen Platte, z.B. aus Glas, Kunstharz oder dergleichen. Der Körperabschnitt 35 ist mit dem Wellenabschnitt 32 des Antriebsmotors 31 durch eine mechanische Komponente aus Metall oder dergleichen verbunden. Die reflektierende Oberfläche 36 ist eine Spiegeloberfläche, die durch Aufdampfen eines Metallfilms wie Aluminium, Silber oder Gold auf eine Oberfläche des Körperabschnitts 35 und durch weiteres Aufbringen eines Schutzfilms wie Siliziumdioxid auf die aufgedampfte Oberfläche erhalten wird. Die reflektierende Oberfläche 36 weist eine glatte, rechteckige und ebene Form auf. Die reflektierende Oberfläche 36 ist in einer Stellung vorgesehen, in der die Längsrichtung mit der Drehachse AS ausgerichtet ist. Dadurch stimmt die Längsrichtung der reflektierenden Oberfläche 36 im Wesentlichen mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs überein.
Der Abtastspiegel 33 ist so angeordnet, dass er sowohl den Projektionslichtstrahl PB als auch den reflektierten Lichtstrahl RB aufnehmen kann. D.h., bei dem Abtastspiegel 33 dient ein Teil der reflektierenden Oberfläche 36 als Projektionsreflektor 37 für die Projektion des Projektionslichtstrahls PB und ein anderer Teil der reflektierenden Oberfläche 36 als Empfangsreflektor 38 für den Empfang des reflektierten Lichtstrahls RB. Der Projektionsreflektor 37 und der Empfangsreflektor 38 können als voneinander getrennte Bereiche auf der reflektierenden Oberfläche 36 oder als sich zumindest teilweise überlappende Bereiche definiert sein.
Der Abtastspiegel 33 ändert eine Ablenkrichtung des Projektionslichtstrahls PB entsprechend der Änderung der Ausrichtung der reflektierenden Oberfläche 36. Der Abtastspiegel 33 tastet den Messbereich zeitlich und räumlich ab, indem er den Projektionslichtstrahl PB entsprechend der Drehung des Antriebsmotors 31 bewegt. Eine Abtastung durch den Abtastspiegel 33 ist eine Abtastung nur um die Drehachse AS und eine eindimensionale Abtastung, bei der eine Abtastung in Lichtquellen-Array-Richtung ADs entfällt.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist eine Hauptabtastebene MS des Abtastspiegels 33 eine Ebene, die im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse AS liegt. Demgegenüber ist eine Ebene, die sich entlang (d.h. im Wesentlichen parallel zu) sowohl (i) der Lichtstrahlachse BLA des Lichtstrahls SB, der von der Lichtemissionseinheit 20 in die Abtasteinheit 30 eintritt, als auch (ii) der Drehachse AS erstreckt, eine Unterabtastebene SS des Abtastspiegels 33. Die Hauptabtastebene MS und die Unterabtastebene SS sind zueinander orthogonale Ebenen. Die Lichtquellen-Array-Richtung ADs ist eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Unterabtastebene SS und im Wesentlichen orthogonal zur Hauptabtastebene MS verläuft. Die Abtastung mit Hilfe des Abtastspiegels 33 erfolgt als eine Abtastung des Bestrahlungsbereichs mit dem sich linienförmig entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstreckenden Projektionslichtstrahl PB, der sich entlang der Hauptabtastebene MS hin- und herbewegt.
Hierin sind, wenn die LiDAR-Vorrichtung 100 an einem Fahrzeug montiert ist, die Lichtquellen-Array-Richtung ADs, die Drehachse AS und die Unterabtastebene SS jeweils in vertikaler Richtung ausgerichtet. Demgegenüber sind die Lichtstrahlachse BLA und die Hauptabtastebene MS jeweils in horizontaler Richtung ausgerichtet. Wie oben beschrieben, wird die Form des Projektionslichtstrahls PB, der auf den Messbereich gestrahlt wird, zu einer Linienform, die sich in vertikaler Richtung erstreckt, wodurch der vertikale Sichtwinkel der LiDAR-Vorrichtung 100 definiert wird. Demgegenüber definiert der endliche Winkelbereich RA bei der Abtastung durch den Abtastspiegel 33 den horizontalen Sichtwinkel der LiDAR-Vorrichtung 100, da er den Bestrahlungsbereich des Projektionslichtstrahls PB definiert.
Die Lichtempfangseinheit 40 empfängt den reflektierten Lichtstrahl RB aus dem Messbereich, bei dem es sich um zurückkehrendes Licht des Projektionslichtstrahls PB handelt, der darauf projiziert wurde. Der reflektierte Lichtstrahl RB ist ein Laserlicht, das auf den Abtastspiegel 33 auftrifft, nachdem der Projektionslichtstrahl PB, der das optische Fenster des Gehäuses passiert hat, von dem im Messbereich befindlichen Messobjekt reflektiert wurde, erneut das optische Fenster passiert hat und auf den Abtastspiegel 33 auftrifft. Da die Geschwindigkeit des Projektionslichtstrahls PB und des reflektierten Lichtstrahls RB in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des Abtastspiegels 33 ausreichend hoch ist, ist die Phasenverschiebung zwischen dem Projektionslichtstrahl PB und dem reflektierten Lichtstrahl RB vernachlässigbar. Daher wird der reflektierte Lichtstrahl RB von der reflektierenden Oberfläche 36 im Wesentlichen unter dem gleichen Reflexionswinkel wie der Projektionslichtstrahl PB reflektiert und in einer dem Projektionslichtstrahl PB entgegengesetzten Richtung zur Lichtempfangseinheit 40 geleitet.
Die Lichtempfangseinheit 40 enthält einen Detektor 41, eine Lichtempfangslinse 44 und dergleichen. Der Detektor 41 weist eine Erfassungsoberfläche 42 und einen Decoder auf. Die Erfassungsoberfläche 42 ist aus einer großen Anzahl von Lichtempfangselementen aufgebaut. Die große Anzahl von Lichtempfangselementen ist so angeordnet, dass sie in einem hochintegrierten Zustand die Form eines Arrays aufweisen und ein langes, rechteckiges Element-Array auf der Erfassungsoberfläche 42 bilden. Die Längsrichtung der Erfassungsoberfläche 42 ist auf die Lichtquellen-Array-Richtung ADs ausgerichtet bzw. in Linie gebracht, die die Längsrichtung der Laseroszillationsöffnung 25 ist, und verläuft im Wesentlichen parallel zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs. Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann die Erfassungsoberfläche 42 den reflektierten Lichtstrahl RB effizient empfangen, und zwar in einer Linienform, die sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstreckt.
Gemäß einem Beispiel für das Lichtempfangselement wird eine Einzelphoton-Avalanche-Diode (SPAD) verwendet. Wenn ein oder mehrere Photonen auf die SPAD auftreffen, erzeugt der Elektronenverdopplungseffekt aufgrund der Avalanche-Verdopplung einen elektrischen Impuls. Die SPAD kann einen elektrischen Impuls ausgeben, der ein digitales Signal ist, ohne eine AD-Wandlungsschaltung zu durchlaufen, wodurch eine Hochgeschwindigkeitsauslesung des Erfassungsergebnisses des reflektierten Lichtstrahls RB, der auf die Erfassungsfläche 42 verdichtet wird, realisiert wird. Es ist zu beachten, dass ein Element verschieden von der SPAD als das Lichtempfangselement verwendet werden kann. Als das Lichtempfangselement können z.B. eine normale Avalanche-Fotodiode, andere Fotodioden usw. verwendet werden.
Der Decoder ist eine elektrische Schaltungseinheit, die einen vom Lichtempfangselement erzeugten elektrischen Impuls nach außen abgibt. Der Decoder wählt aus einer großen Anzahl von Lichtempfangselementen nacheinander ein Zielelement aus, dem elektrische Impulse entnommen werden. Der Decoder gibt den elektrischen Impuls des ausgewählten Lichtempfangselements an den Controller 50 aus. Wenn die Ausgaben aller Lichtempfangselemente vollständig sind, ist eine Abtastung abgeschlossen.
Die Lichtempfangslinse 44 ist ein optisches Element, das auf dem optischen Pfad des reflektierten Lichtstrahls RB vom Abtastspiegel 33 zum Detektor 41 positioniert ist. Die Lichtempfangslinse 44 bildet eine optische Lichtempfangsachse RLA. Die optische Lichtempfangsachse RLA ist als eine Achse definiert, die mit einem virtuellen Strahl ausgerichtet ist, der durch den Krümmungsmittelpunkt jeder der refraktiven Oberflächen der Lichtempfangslinse 44 verläuft. Die optische Lichtempfangsachse RLA verläuft im Wesentlichen parallel zur Lichtstrahlachse BLA. Die Lichtempfangslinse 44 bündelt und fokussiert den reflektierten Lichtstrahl RB auf die Erfassungsoberfläche 42. Die Lichtempfangslinse 44 bündelt den von der reflektierenden Oberfläche 36 reflektierten Lichtstrahl RB unabhängig von der Ausrichtung des Abtastspiegels 33 auf die Erfassungsoberfläche 42.
Der Controller 50 steuert die Lichterfassung des Messbereichs. Der Controller 50 enthält (i) einen Steuerschaltungsabschnitt mit einem Prozessor, einem RAM, einem Speicherabschnitt, einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle und einem diese verbindenden Bus und (ii) einen Ansteuerschaltungsabschnitt zum Ansteuern des VCSEL-Elements 23 und des Antriebsmotors 31. Der Steuerschaltungsabschnitt ist hauptsächlich aus einem Mikrocontroller mit beispielsweise eine CPU (Central processing unit oder zentrale Recheneinheit) als Prozessor aufgebaut. Der Steuerschaltungsabschnitt kann hauptsächlich als FPGA (Field Programmable Gate Array oder programmierbare Logikgatter-Anordnung), ASIC (Application-Specific Integrated Circuit oder anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder dergleichen konfiguriert sein.
Der Controller 50 ist mit jedem der VCSEL-Elemente 23, dem Antriebsmotor 31 und dem Detektor 41 elektrisch verbunden. Der Controller 50 enthält Funktionseinheiten wie eine Lichtemissionssteuereinheit 51, eine Abtaststeuereinheit 52, eine Messberechnungseinheit 53 und dergleichen. Jede der Funktionseinheiten kann als Softwarekomponente auf der Grundlage eines Programms oder als Hardwarekomponente erstellt sein.
Die Lichtemissionssteuereinheit 51 gibt ein Ansteuersignal an jedes der VCSEL-Elemente 23 aus, so dass der Lichtstrahl SB von jedem der VCSEL-Elemente 23 zu dem mit der Strahlabtastung durch den Abtastspiegel 33 koordinierten Lichtemissionstiming emittiert wird. Die Lichtemissionssteuereinheit 51 oszilliert den Lichtstrahl SB von jedem der VCSEL-Elemente 23 in Form eines kurzen Impulses. Die Lichtemissionssteuereinheit 51 kann die mehreren VCSEL-Elemente 23 steuern, um (a) im Wesentlichen gleichzeitig zu oszillieren oder (b) nacheinander, d.h. eines nach dem anderen, mit einem geringen Zeitunterschied zu oszillieren, um die Lichtstrahlen SB davon zu emittieren.
Die Abtaststeuereinheit 52 gibt ein Ansteuersignal an den Antriebsmotor 31 aus, um die Strahlabtastung in Zusammenarbeit mit der Strahloszillation durch die VCSEL-Elemente 23 zu realisieren.
Die Messberechnungseinheit 53 unterzieht den vom Detektor 41 eingegebenen elektrischen Impuls einer Rechenverarbeitung und bestimmt das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Messobjekts im Messbereich. Außerdem misst Messberechnungseinheit 53 den Abstand zum Messobjekt, dessen Existenz erfasst wird. Bei jeder Abtastung zählt die Messberechnungseinheit 53 die Anzahl der elektrischen Impulse, die von jedem der Lichtempfangselemente des Detektors 41 nach Projektion des Projektionslichtstrahls PB ausgegeben werden. Die Messberechnungseinheit 53 erstellt ein Histogramm zum Aufzeichnen der Anzahl von elektrischen Impulsen für jede Abtastung. Die Klasse des Histogramms zeigt eine Laufzeit (TOF bzw. Time Of Flight) von Lichts von einer Emissionszeit des Lichtstrahls SB bis zu einer Erfassungszeit des reflektierten Lichtstrahls RB. Die Abtastfrequenz des Detektors 41 entspricht der Zeitauflösung bei der TOF-Messung.
Die optische Einheit 60 enthält eine Gruppe optischer Elemente, die auf dem optischen Pfad des Lichtstrahls SB von der Lichtemissionseinheit 20 zur Abtasteinheit 30 angeordnet sind. Die optische Einheit 60 passt die Form einer Gruppe von Lichtstrahlen SB an, die von jedem der VCSEL-Elemente 23 emittiert werden, und lässt die geformte Gruppe von Lichtstrahlen SB auf die reflektierende Oberfläche 36 auftreffen. Die optische Einheit 60 enthält mehrere (z.B. zwei) erste optische Elemente 61, mehrere (z.B. zwei) zweite optische Elemente 71, eine Strahlformungslinse 87 und dergleichen (siehe 3). Das erste optische Element 61, das zweite optische Element 71 und die Strahlformungslinse 87 sind aus lichtdurchlässigem Material mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften, z.B. aus synthetischem Quarzglas, Kunstharz oder dergleichen, aufgebaut. Das erste optische Element 61, das zweite optische Element 71 und die Strahlformungslinse 87 sind in einem Linsentubus untergebracht, und ihre relative Positionierung ist genau festgelegt.
Hier sind zur Beschreibung der detaillierten Konfiguration der optischen Einheit 60 die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse definiert. Die X-Achse verläuft im Wesentlichen orthogonal zur Unterabtastebene SS der Abtasteinheit 30 und im Wesentlichen parallel zur Hauptabtastebene MS der Abtasteinheit 30. Die X-Achse entspricht der schnellen Achse von Laserlicht. Die Y-Achse verläuft im Wesentlichen parallel zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs und der Drehachse AS. Die Y-Achse entspricht der langsamen Achse von Laserlicht. Die Z-Achse verläuft im Wesentlichen parallel zur Lichtstrahlachse BLA, die sich von der Laseroszillationsöffnung 25 zum Abtastspiegel 33 erstreckt. Die Z-Richtung ist die Übertragungsrichtung des Lichtstrahls SB, der durch die optische Einheit 60 wandert, und ist eine Richtung von der Lichtemissionseinheit 20 zur Abtasteinheit 30 entlang der Z-Achse. Wie oben beschrieben, stimmt eine Z-X-Ebene der optischen Einheit 60 mit der Hauptabtastebene MS der Abtasteinheit 30 über (siehe 4). Außerdem stimmt eine Y-Z-Ebene der optischen Einheit 60 mit der Unterabtastebene SS der Abtasteinheit 30 überein (siehe 5).
Das erste optische Element 61 ist ein optisches Element mit negativer Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung (d.h. Z-Richtung) des Lichtstrahls SB auf der Hauptabtastebene MS orthogonal zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs. In der ersten Ausführungsform sind eine erste konkave Zylinderlinse 161 und eine zweite konkave Zylinderlinse 166 als das erste optische Element 61 bzw. vor den beiden zweiten optischen Elementen 71 vorgesehen.
Die erste konkave Zylinderlinse 161 weist eine zylindrische Einfallsoberfläche 62 und eine ebene Emissionsoberfläche 63 auf. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 ist eine halbzylindrische Linsenoberfläche, die zur Einfallseite hin konkav gekrümmt ist. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 ist so angeordnet, dass sie der Laseroszillationsöffnung 25 der Lichtemissionseinheit 20 zugewandt ist, und zwar in einer Stellung, in der die axiale Richtung (d.h. die Generatrix oder Erzeugungslinie) mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs (d.h. der Y-Achse) ausgerichtet ist, oder mit anderen Worten, in einer Stellung, in der eine Leistungsrichtung (power direction) (d.h. eine Richtung orthogonal zur Generatrix) mit der X-Achse ausgerichtet ist. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 weist nur auf der Hauptabtastebene MS eine Krümmung auf. Die ebene Emissionsoberfläche 63 ist eine glatte, ebene Linsenoberfläche, die im Wesentlichen orthogonal zur Lichtstrahlachse BLA liegt.
Die zweite konkave Zylinderlinse 166 weist eine zylindrische Einfallsoberfläche 67 und eine ebene Emissionsoberfläche 68 auf. Die zylindrische Einfallsoberfläche 67 ist eine Linsenoberfläche mit einer teilzylindrischen Oberflächenform und ist zur Einfallseite hin konkav gekrümmt. Die Krümmung der zylindrischen Einfallsoberfläche 67 ist geringer als die Krümmung der zylindrischen Einfallsoberfläche 62. Die zylindrische Einfallsoberfläche 67 ist hinter der ersten konkaven Zylinderlinse 161 so angeordnet, dass sie der ebenen Emissionsoberfläche 63 zugewandt ist. Die zylindrische Einfallsoberfläche 67 ist in einer Stellung angeordnet, in der die axiale Richtung (d.h. die Generatrix) mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs (d.h. der Y-Achse) ausgerichtet ist, oder mit anderen Worten, in einer Stellung, in der die Leistungsrichtung (d.h. eine Richtung orthogonal zur Generatrix) mit der X-Achse ausgerichtet ist. Wie die zylindrische Einfallsoberfläche 62 weist auch die zylindrische Einfallsoberfläche 67 nur auf der Hauptabtastebene MS eine Krümmung auf. Die ebene Emissionsoberfläche 68 ist eine glatte, ebene Linsenoberfläche, die im Wesentlichen orthogonal zur Lichtstrahlachse BLA liegt.
Jede der konkaven Zylinderlinsen 161 und 166 ist auf dem optischen Pfad des Lichtstrahls SB so angeordnet, dass die Lichtstrahlachse BLA durch die optischen Zentren der zylindrischen Einfallsoberflächen 62 und 67 bzw. der ebenen Emissionsoberflächen 63 und 68 verläuft. Die Normalen der jeweiligen optischen Zentren der zylindrischen Einfallsoberflächen 62, 67 und der ebenen Emissionsoberflächen 63, 68, d.h. die optischen Linsenachsen der konkaven Zylinderlinsen 161, 166, stimmen im Wesentlichen mit der Lichtstrahlachse BLA über. Die konkaven Zylinderlinsen 161 und 166 sind in der Übertragungsrichtung des Lichtstrahls SB getrennt voneinander angeordnet. Daher ist die zylindrische Einfallsoberfläche 67 nicht in Kontakt mit der ebenen Emissionsoberfläche 63 und ist von der ebenen Emissionsoberfläche 63 entfernt angeordnet.
Jede der konkaven Zylinderlinsen 161, 166 streut den Lichtstrahl SB im Wesentlichen nur auf der Hauptabtastebene MS durch die Brechungswirkung an dem Lichtstrahl SB durch die zylindrischen Einfallsoberflächen 62, 67 und die ebenen Emissionsoberflächen 63, 68 (siehe 4). Der Lichtstrahl SB wird durch die jeweiligen Linsenoberflächen der ersten konkaven Zylinderlinse 161 und der zweiten konkaven Zylinderlinse 166 schrittweise in die Richtungen weg von der Lichtstrahlachse BLA abgelenkt. Andererseits haben die konkaven Zylinderlinsen 161 und 166 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung, den Lichtstrahl SB auf der Unterabtastebene SS zu streuen.
Das zweite optische Element 71 ist ein optisches Element mit einer positiven Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung (d.h. Z-Richtung) des Lichtstrahls SB auf der Hauptabtastebene MS. Die positive Brechkraft des zweiten optischen Elements 71 ist größer als die negative Brechkraft des ersten optischen Elements 61, so dass die kombinierte Brechkraft des ersten optischen Elements 61 und des zweiten optischen Elements 71 positiv ist. In der ersten Ausführungsform sind eine erste konvexe Zylinderlinse 171 und eine zweite konvexe Zylinderlinse 176 als die zweiten optischen Elemente 71 hinter den beiden ersten optischen Elementen 61 vorgesehen.
Die erste konvexe Zylinderlinse 171 weist eine ebene Einfallsoberfläche 72 und eine zylindrische Emissionsoberfläche 73 auf. Die ebene Einfallsoberfläche 72 ist eine glatte, ebene Linsenoberfläche, die hinter der zweiten konkaven Zylinderlinse 166 angeordnet und der ebenen Emissionsoberfläche 68 zugewandt ist. Die ebene Einfallsoberfläche 72 befindet sich in Kontakt mit der ebenen Emissionsoberfläche 68. Die ebene Einfallsoberfläche 72 kann durch einen UV-härtbaren Klebstoff oder dergleichen mit der ebenen Emissionsoberfläche 68 verbunden sein. Die zylindrische Emissionsoberfläche 73 ist eine Linsenoberfläche mit einer teilzylindrischen Form und zur Emissionsseite hin konvex gekrümmt. Die zylindrische Emissionsoberfläche 73 ist so angeordnet, dass sie der zweiten konvexen Zylinderlinse 176 zugewandt ist, und zwar in einer Stellung, in der die axiale Richtung mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs (d.h. der Y-Achse) ausgerichtet ist, oder mit anderen Worten, in einer Stellung, in der die Leistungsrichtung (d.h. eine Richtung orthogonal zur Generatrix) mit der X-Achse ausgerichtet ist. Die zylindrische Emissionsoberfläche 73 weist nur auf der Hauptabtastebene MS eine Krümmung auf.
Die zweite konvexe Zylinderlinse 176 weist eine ebene Einfallsoberfläche 77 und eine zylindrische Emissionsoberfläche 78 auf. Die ebene Einfallsoberfläche 77 ist eine glatte und ebene Linsenoberfläche und ist hinter der ersten konvexen Zylinderlinse 171 so angeordnet, dass sie der zylindrischen Emissionsoberfläche 73 zugewandt ist. Die ebene Einfallsoberfläche 77 befindet sich in Kontakt mit der zylindrischen Emissionsoberfläche 73. Die zylindrische Emissionsoberfläche 78 ist eine Linsenoberfläche mit einer teilzylindrischen Form und zur Emissionsseite hin konvex gekrümmt. Die Krümmung der zylindrischen Emissionsoberfläche 78 ist größer als die Krümmung der zylindrischen Emissionsoberfläche 73. Die zylindrische Emissionsoberfläche 78 ist so angeordnet, dass sie der Strahlformungslinse 87 zugewandt ist, und zwar in einer Stellung, in der die axiale Richtung (d.h. die Generatrix) mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs (d.h. der Y-Achse) ausgerichtet ist, oder mit anderen Worten, in einer Stellung, in der die Leistungsrichtung (d.h. orthogonal zur Generatrix) mit der X-Achse ausgerichtet ist. Die zylindrische Emissionsoberfläche 78 weist nur auf der Hauptabtastebene MS eine Krümmung auf.
Jede der oben beschriebenen konvexen Zylinderlinsen 171 und 176 ist auf dem Strahlengang bzw. optischen Pfad des Lichtstrahls SB so angeordnet, dass die Lichtstrahlachse BLA durch die optischen Zentren der ebenen Einfallsoberflächen 72 und 77 bzw. der zylindrischen Emissionsoberflächen 73 und 78 verläuft. Die Normalen an den jeweiligen optischen Zentren der ebenen Einfallsoberflächen 72, 77 und der zylindrischen Emissionsoberflächen 73, 78, d.h. die optischen Linsenachsen der konvexen Zylinderlinsen 171, 176, stimmen im Wesentlichen mit der Lichtstrahlachse BLA überein.
Jede der konvexen Zylinderlinsen 171, 176 verdichtet bzw. bündelt den Lichtstrahl SB im Wesentlichen nur auf der Hauptabtastebene MS aufgrund der Brechungswirkung auf den Lichtstrahl SB durch die ebenen Einfallsoberflächen 72, 77 und die zylindrischen Emissionsoberflächen 73, 78 (siehe 4). Der Lichtstrahl SB wird durch die Linsenoberflächen der ersten konvexen Zylinderlinse 171 und der zweiten konvexen Zylinderlinse 176 schrittweise in Richtung der Lichtstrahlachse BLA abgelenkt. Andererseits haben die konvexen Zylinderlinsen 171 und 176 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung, den Lichtstrahl SB auf der Unterabtastebene SS zu bündeln.
Die Strahlformungslinse 87 befindet sich hinter dem zweiten optischen Element 71. Die Strahlformungslinse 87 weist eine negative Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung (d.h. Z-Richtung) auf der Unterabtastebene SS auf. Als die Strahlformungslinse 87 wird eine plankonkave Zylinderlinse 187 verwendet.
Die plankonkave Zylinderlinse 187 ist ein optisches Element mit astigmatischer optischer Wirkung. Die plankonkave Zylinderlinse 187 weist eine ebene Einfallsoberfläche 88 und eine zylindrische Emissionsoberfläche 89 auf. Die ebene Einfallsoberfläche 88 weist eine glatte und ebene Form auf und liegt im Wesentlichen orthogonal zur Lichtstrahlachse BLA. Die ebene Einfallsoberfläche 88 ist hinter der zweiten konvexen Zylinderlinse 176 angeordnet, um der zylindrischen Emissionsoberfläche 78 zugewandt zu sein. Die ebene Einfallsoberfläche 88 befindet sich in Kontakt mit der zylindrischen Emissionsoberfläche 78. Die zylindrische Emissionsoberfläche 89 ist eine teilweise zylindrisch geformte Linsenoberfläche. Die zylindrische Emissionsoberfläche 89 ist in einer Stellung angeordnet, in der die axiale Richtung (d.h. die Generatrix) mit der X-Achse ausgerichtet ist, oder mit anderen Worten, in einer Stellung, in der die Leistungsrichtung (d.h. eine Richtung orthogonal zur Generatrix) mit der Y-Achse ausgerichtet ist. Die zylindrische Emissionsoberfläche 89 weist eine in Z-Richtung, der Emissionsseite, konkav gekrümmte Form auf (siehe 3 und 5).
Die plankonkave Zylinderlinse 187 ist so angeordnet, dass der Linsenquerschnitt mit einer negativen Brechkraft parallel zur Unterabtastebene SS liegt. Die plankonkave Zylinderlinse 187 ist auf dem optischen Pfad des Lichtstrahls SB so angeordnet, dass die Lichtstrahlachse BLA durch die jeweiligen optischen Zentren der ebenen Einfallsoberfläche 88 und der zylindrischen Emissionsoberfläche 89 verläuft. Die plankonkave Zylinderlinse 187 streut den Lichtstrahl SB entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs auf der Unterabtastebene SS, wobei der Lichtstrahl SB durch die ebene Einfallsoberfläche 88 und die zylindrische Emissionsoberfläche 89 gebrochen wird (siehe 5). Andererseits weist die plankonkave Zylinderlinse 187 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung auf, den Lichtstrahl SB auf der Hauptabtastebene MS abzulenken (siehe 4).
Die Einzelheiten der optischen Wirkung einer Gruppe von optischen Elementen in der optischen Einheit 60 sind weiter beschrieben.
Auf der Unterabtastebene SS (d.h. Y-Z-Ebene, siehe 5) wird hinter der Strahlformungslinse 87 eine zusammengesetzte bzw. Verbundbrennebene FPB durch die Gruppe der optischen Elemente in der optischen Einheit 60 definiert. Da das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 Zylinderlinsen ohne Brechkraft bzw. Leistung auf der Unterabtastebene SS sind, wird die Position der Verbundbrennebene FPB hauptsächlich durch die Krümmung der zylindrischen Emissionsoberfläche 89 bestimmt. Aufgrund der negativen Brechkraft der zylindrischen Emissionsoberfläche 89 wird der Lichtstrahl SB, der die optische Einheit 60 durchläuft, wie oben beschrieben entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs gestreut. Daher überlappen sich die durch die optische Einheit 60 übertragenen Lichtstrahlen SB hinter der Verbundbrennebene FPB, um den Projektionslichtstrahl PB mit einer kontinuierlichen linearen Form zu bilden, selbst wenn sich zwischen den VCSEL-Arrays 21 Nicht-Lichtemitter 25x befinden.
Andererseits wird auf der Hauptabtastebene MS (d.h. Z-X-Ebene, siehe 4) die Verbundbrennebene FPF durch die Gruppe der optischen Elemente in der optischen Einheit 60 vor der ersten konkaven Zylinderlinse 161 definiert. Da die Strahlformungslinse 87 keine Leistung bzw. Brechkraft auf der Hauptabtastebene MS aufweist, wird die Position der Verbundbrennebene FPF durch die Krümmungen der jeweiligen zylindrischen Oberflächen des ersten optischen Elements 61 und des zweiten optischen Elements 71 bestimmt. Jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 ist an einer Position angeordnet, die sich mit der Verbundbrennebene FPF schneidet. Infolgedessen fungieren das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 als Kollimatoren, und der vom VCSEL-Array 21 emittierte Lichtstrahl SB wird um eine vorbestimmte Vergrößerung vergrößert und dann von der optischen Einheit 60 als paralleles Licht entlang der Lichtstrahlachse BLA emittiert. Wie oben beschrieben, kann die optische Einheit 60 die Streuung der Linienbreite des linearen Lichtstrahls SB unterdrücken und den Projektionslichtstrahl PB in eine Linienform bringen, die in der Lage ist, eine vorbestimmte Strahlbreite beizubehalten.
In der bisher beschriebenen ersten Ausführungsform ist das erste optische Element 61 mit negativer Brechkraft vor dem zweiten optischen Element 71 mit positiver Brechkraft auf der Hauptabtastebene MS orthogonal zur Lichtquellen-Array-Richtung ADs angeordnet. Daher wird die Hauptebene, die durch die Kombination aus dem ersten optischen Element 61 und dem zweiten optischen Element 71 gebildet wird, hinter dem zweiten optischen Element 71 auf der Hauptabtastebene MS definiert. Aufgrund der oben beschriebenen Konfiguration wird eine Anordnung realisiert, bei der die Lichtemissionseinheit 20 näher an die optische Einheit 60 herangeführt wird, wobei der Abstand von der Verbundbrennebene FPF zur Hauptebene auf der Hauptabtastebene MS, d.h. die Brennweite der optischen Einheit 60, reserviert wird. Dadurch ist es möglich, die Vergrößerung des Volumens / der Größe des optischen Systems einschließlich der Lichtemissionseinheit 20 und der optischen Einheit 60 zu unterdrücken, während die Vergrößerung der Breite des Projektionslichtstrahls PB in einer Linienform, die sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstreckt, unterdrückt wird. Wenn die Zunahme der Breite des Projektionslichtstrahls PB unterdrückt wird, lässt sich im Projektionslichtstrahl PB erzeugtes Speckle-Rauschen reduzieren.
Darüber hinaus sind in der ersten Ausführungsform mehrere erste optische Elemente 61 und mehrere zweite optische Elemente 71 vorgesehen. Außerdem sind die mehreren ersten optischen Elemente 61 vor den mehreren zweiten optischen Elementen 71 angeordnet. Wie oben beschrieben, ist gemäß der optischen Konfiguration, bei der mehrere optische Elemente kombiniert werden, die durch jede der Linsenoberflächen verursachte Brechung reduzierbar. Folglich ist es, da die brechungsbedingte Aberration reduziert werden kann, möglich, den Projektionslichtstrahl PB in eine klare Linienform zu bringen.
Ferner ist in der ersten Ausführungsform die ebene Emissionsoberfläche 68 der zweiten konkaven Zylinderlinse 166, die als das erste optische Element 61 vorgesehen ist, in Kontakt mit der ebenen Einfallsoberfläche 72 der ersten konvexen Zylinderlinse 171, die als das zweite optische Element 71 vorgesehen ist. Gemäß einer solchen berührungslose Konfiguration ist es möglich, die Toleranz zwischen dem ersten optischen Element 61 und dem zweiten optischen Element 71 zu verringern, und ebenso möglich, Schwankungen in der Position der Verbundbrennebene FPF zu reduzieren. Gemäß den obigen Ausführungen ist es, da die VCSEL-Elemente 23 genau auf der Verbundbrennebene FPF angeordnet werden können, möglich, den Projektionslichtstrahl PB stabil in einer klaren Linienform zu formen.
Ferner enthält die optische Einheit 60 der ersten Ausführungsform, als das erste optische Element 61, die konkaven Zylinderlinsen 161 und 166, deren zylindrische Einfallsoberflächen 62 und 67 zur Einfallseite hin konkav gekrümmt sind. Darüber hinaus enthält die optische Einheit 60, als das zweite optische Element 71, die konvexen Zylinderlinsen 171, 176, deren zylindrischen Emissionsoberflächen 73, 78 zur Emissionsseite hin konvex gekrümmt sind. Wie oben beschrieben, ist es durch die Verwendung eines hochgradig herstellbaren zylindrischen Elements als das optische Element möglich, die optische Einheit 60 einfach bereitzustellen, und gleichzeitig ist es möglich, den Effekt der Unterdrückung der Streuung des Projektionslichtstrahls PB auf der Hauptabtastebene MS zuverlässig zu erzielen.
Darüber hinaus enthält die Lichtemissionseinheit 20 der ersten Ausführungsform das VCSEL-Array 21, bei dem die VCSEL-Elemente 23 mit der in Übertragungsrichtung gerichteten Laseremissionsoberfläche 24 zweidimensional in dem längsförmigen Lichtemissionsbereich 22 angeordnet sind, dessen Längsrichtung die Lichtquellen-Array-Richtung ADs ist. Durch die Verwendung eines solchen VCSEL-Arrays 21 kann eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 in der Lichtemissionseinheit 20 in hoher Dichte angeordnet werden, was eine hohe Ausgangsleistung des Projektionslichtstrahls PB ermöglicht.
Ferner kann, auch wenn die Breite der Laseroszillationsöffnung 25 in der kurzen Richtung durch die zweidimensionale Anordnung der VCSEL-Elemente 23 vergrößert wird, die optische Wirkung der optischen Einheit 60 die Zunahme der Breite des Projektionslichtstrahls PB unterdrücken. Demnach kann die Konfiguration, in der die oben beschriebene optische Einheit 60 mit dem VCSEL-Array 21 kombiniert wird, einen hohen Output des Projektionslichtstrahls PB liefern und gleichzeitig eine Zunahme des durch Laserinterferenzen verursachten Speckle-Rauschens vermeiden. Dadurch wird eine Verbesserung der Detektionsfähigkeit der LiDAR-Vorrichtung 100 erreicht.
Darüber hinaus verfügt die Abtasteinheit 30 der ersten Ausführungsform auch über den Abtastspiegel 33, der sich um die Drehachse AS dreht, die mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs ausgerichtet ist. Wie oben beschrieben, arbeitet die LiDAR-Vorrichtung 100, wenn die Lichtquellen-Array-Richtung ADs und die Drehachse AS im Wesentlichen parallel sind, indem sie mit dem linienförmig Projektionslichtstrahl PB in einer Hin- und Herbewegung entlang der Breitenrichtung abtastet, wobei die Streuung des Lichtstrahls PB in der Breitenrichtung unterdrückt wird. Wie oben beschrieben, lässt sich die Erfassungsgenauigkeit der LiDAR-Vorrichtung 100 verbessern, wenn der projizierte Lichtstrahl PB scharf geformt ist.
In der ersten Ausführungsform entspricht das VCSEL-Array 21 einem „Laseremissionselement-Array“, das VCSEL-Element 23 einem „Lichtemitter“ und einem „oberflächenemittierenden Laserelement“, die Laseremissionsoberfläche 24 einer „Emissionsoberfläche“ und der Abtastspiegel 33 einem „Drehspiegel“. Ferner entsprechen die zylindrischen Einfallsoberflächen 62 und 67 einer „konkaven Einfallsoberfläche“, die ebene Emissionsoberfläche 68 entspricht einer „vorderen Emissionsoberfläche“, die ebene Einfallsoberfläche 72 entspricht einer „hinteren Einfallsoberfläche“, und die zylindrischen Emissionsoberflächen 73, 78 entsprechen einer „konvexen Emissionsoberfläche“. Außerdem entsprechen die erste konkave Zylinderlinse 161 und die zweite konkave Zylinderlinse 166 einer „konkaven Zylinderlinse“, und die erste konvexe Zylinderlinse 171 und die zweite konvexe Zylinderlinse 176 entsprechen einer „konvexen Zylinderlinse“. Darüber hinaus entspricht die Lichtquellen-Array-Richtung ADs einer „spezifischen Array-Richtung“, die Hauptabtastebene MS einem „spezifischen Abschnitt“, die Unterabtastebene SS einem „orthogonalen Abschnitt“ und die Z-Richtung entspricht der „Übertragungsrichtung (des Lichtstrahls SB)“. Ferner entspricht der reflektierte Lichtstrahl RB einem „zurückkehrenden Licht“, und die LiDAR-Vorrichtung 100 entspricht einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Zweite Ausführungsform)
Die in den 6 bis 8 gezeigte zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Modifikation der ersten Ausführungsform. Ein erstes optisches Element 61 und ein zweites optisches Element 71 sind in der optischen Einheit 60 der zweiten Ausführungsform vorgesehen. Insbesondere ist die optische Einheit 60 der zweiten Ausführungsform mit einer konkaven Zylinderlinse 261 und einer konvexen Zylinderlinse 271 als das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 ausgestattet.
Die konkave Zylinderlinse 261 weist eine Konfiguration auf, die der ersten konkaven Zylinderlinse 161 (siehe 1) der ersten Ausführungsform entspricht, und weist die zylindrische Einfallsoberfläche 62 und die ebene Emissionsoberfläche 63 auf. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 ist eine teilzylindrische Linsenoberfläche, die zur Einfallseite hin konkav gekrümmt ist. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 ist so angeordnet, dass sie der Laseroszillationsöffnung 25 zugewandt ist. Die ebene Emissionsoberfläche 63 ist eine glatte, ebene Linsenoberfläche, die so angeordnet ist, dass sie der konvexen Zylinderlinse 271 zugewandt ist. Die konkave Zylinderlinse 261 streut den Lichtstrahl SB aufgrund der Brechung des Lichtstrahls SB durch die zylindrische Einfallsoberfläche 62 und die ebene Emissionsoberfläche 63 im Wesentlichen nur auf der Hauptabtastebene MS (siehe 7). Andererseits weist die konkave Zylinderlinse 261 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung der Streuung bzw. Aufweitung des Lichtstrahls SB auf der Unterabtastebene SS auf.
Die konvexe Zylinderlinse 271 weist eine Konfiguration auf, die der ersten konvexen Zylinderlinse 171 (siehe 1) der ersten Ausführungsform entspricht, und weist die ebene Einfallsoberfläche 72 und die zylindrische Emissionsoberfläche 73 auf. Die ebene Einfallsoberfläche 72 ist eine glatte, ebene Linsenoberfläche und ist so angeordnet, dass sie der ebenen Emissionsoberfläche 63 mit einem dazwischen liegenden Spalt zugewandt ist. Die ebene Einfallsoberfläche 72 ist nicht in Kontakt mit der ebenen Emissionsoberfläche 63 und ist von der ebenen Emissionsoberfläche 63 entfernt angeordnet. Die zylindrische Emissionsoberfläche 73 ist eine teilzylindrische Linsenoberfläche, die zur Emissionsseite hin konvex gekrümmt ist. Die zylindrische Emissionsoberfläche 73 ist so angeordnet, dass sie der ebenen Einfallsoberfläche 88 der plankonkaven Zylinderlinse 187 zugewandt ist. Die konvexe Zylinderlinse 271 bündelt den Lichtstrahl SB aufgrund der Brechung des Lichtstrahls SB durch die ebene Einfallsoberfläche 72 und die zylindrische Emissionsoberfläche 73 im Wesentlichen nur auf der Hauptabtastebene MS (siehe 7). Andererseits weist die konvexe Zylinderlinse 271 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung der Bündelung des Lichtstrahls SB auf der Unterabtastebene SS auf.
Bei der LiDAR-Vorrichtung 200 der bisher beschriebenen zweiten Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden, wobei die Lichtemissionseinheit 20 näher an der optischen Einheit 60 angeordnet ist, während die Brennweite der optischen Einheit 60 reserviert wird. Daher ist es möglich, die Vergrößerung des Volumens / der Größe des optischen Systems zu unterdrücken, während die Vergrößerung der Breite des linienförmigen Projektionslichtstrahls PB, der sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstreckt, unterdrückt wird.
Außerdem ist in der zweiten Ausführungsform die ebene Emissionsoberfläche 63 des ersten optischen Elements 61 von der ebenen Einfallsoberfläche 72 des zweiten optischen Elements 71 getrennt. Mit einer solchen Linsenanordnung kann die Position der Hauptebene auf der Hauptabtastebene MS in Richtung der Rückseite des zweiten optischen Elements 71 verschoben werden. Dadurch kann das Volumen weiter reduziert werden, während die Brennweite auf der Hauptabtastebene MS reserviert wird. In der zweiten Ausführungsform entspricht die ebene Emissionsoberfläche 63 einer „vorderen Emissionsoberfläche“, die ebene Einfallsoberfläche 72 einer „hinteren Einfallsoberfläche“ und die LiDAR-Vorrichtung 200 einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Dritte Ausführungsform)
Die in den 9 bis 11 gezeigte dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform. Eine Lentikularlinse 387 wird als die Strahlformungslinse 87 in der optischen Einheit 60 der dritten Ausführungsform verwendet. Die Lentikularlinse 387 ist aus lichtdurchlässigem Material wie synthetischem Quarzglas, Harz oder dergleichen aufgebaut. Die Lentikularlinse 387 enthält eine große Anzahl von mikro-plankonvexen Linsenabschnitten 387a. Die Lentikularlinse 387 ist ein optisches Element, in dem eine große Anzahl von plankonvexen Linsenabschnitten 387a kontinuierlich angeordnet sind.
Jeder der plankonvexen Linsenabschnitte 387a erstreckt sich linear entlang der X-Achse (siehe 10). Jeder der plankonvexen Linsenabschnitte 387a ist durchgehend entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs (d.h. Y-Achse) angeordnet (siehe 11). Jeder der plankonvexen Linsenabschnitte 387a weist eine Mikroeinfallsoberfläche 388 bzw. eine Mikroemissionsoberfläche 389 auf. Die Mikroeinfallsoberfläche 388 ist als glatte Ebene ausgebildet. Jede der Mikroeinfallsoberflächen 388 der mehreren plankonvexen Linsenabschnitte 387a ist kontinuierlich und stufenlos in der Lichtquellen-Array-Richtung ADs angeordnet und bildet die planare Einfallsoberfläche 88 der Lentikularlinse 387. Die Lentikularlinse 387 ist in einer Stellung angeordnet, in der die ebene Einfallsoberfläche 88 orthogonal zur Lichtstrahlachse BLA angeordnet ist. Die Mikroemissionsoberfläche 389 ist teilweise zylindrisch geformt und weist eine konvex gekrümmte Form in Z-Richtung, d.h. auf der Emissionsseite, auf der Unterabtastebene SS auf. Mehrere Mikroemissionsoberflächen 389 bilden die Emissionsoberfläche der Lentikularlinse 387, indem sie kontinuierlich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs angeordnet sind.
Die Lentikularlinse 387 weist eine positive Brechkraft auf der Unterabtastebene SS auf. Die Lentikularlinse 387 bildet einen Projektionslichtstrahl PB mit einer kontinuierlichen Linienform (siehe 11), indem sie den Lichtstrahl SB durch die optische Wirkung der Mikroeinfallsoberflächen 388 und der Mikroemissionsoberflächen 389 zur Brechung des Lichtstrahls SB im Wesentlichen nur in einer Richtung auf der Unterabtastebene SS streut bzw. auffächert. Andererseits weist die Lentikularlinse 387 im Wesentlichen nicht die optische Wirkung auf, den Lichtstrahl SB auf der Hauptabtastebene MS zu streuen (siehe 11).
Die LiDAR-Vorrichtung 300 der bisher beschriebenen dritten Ausführungsform hat auch den gleichen Effekt wie die zweite Ausführungsform, d.h. sie unterdrückt die Vergrößerung des Volumens / der Größe des optischen Systems, während sie die Vergrö-ßerung der Breite des linienförmigen Projektionslichtstrahls PB unterdrückt. Darüber hinaus wird in der dritten Ausführungsform, in der die Lentikularlinse 387 als die Strahlformungslinse 87 verwendet wird, eine Fehlausrichtung der optischen Achse der Linse entlang der X-Y-Ebene toleranter als in der Konfiguration, in der die plankonkave Zylinderlinse 187 (siehe 6) verwendet wird. In der dritten Ausführungsform entspricht die LiDAR-Vorrichtung 300 übrigens einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Vierte Ausführungsform)
Die in 12 gezeigte vierte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine weitere Modifikation der zweiten Ausführungsform. Bei einer LiDAR-Vorrichtung 400 der vierten Ausführungsform unterscheiden sich die Konfigurationen der Lichtemissionseinheit 20 und der Abtasteinheit 30 von denen der zweiten Ausführungsform.
Die Lichtemissionseinheit 20 weist mehrere VCSEL-Arrays 21 auf. Die mehreren VCSEL-Arrays 21 sind entlang der X-Achse angeordnet, die die kurze Richtung des Lichtemissionsbereichs 22 ist. Jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 wird auf dem Hauptsubstrat der Lichtemissionseinheit 20 mit einem Abstand zueinander gehalten, der in der kurzen Richtung reserviert ist. Jedes der mehreren VCSEL-Arrays 21 ist in einer Stellung angeordnet, in der der Lichtemissionsbereich 22 in Z-Richtung ausgerichtet ist und die Längsrichtung des Lichtemissionsbereichs 22 mit der Lichtquellen-Array-Richtung ADs fluchtet. Die mehreren VCSEL-Arrays 21 emittieren jeweils den Lichtstrahl SB nacheinander, d.h. in einer Reihenfolge der Anordnung entlang der kurzen Richtung, basierend auf der Lichtemissionstimingsteuerung durch eine Lichtemissionssteuereinheit 51 (siehe 1). Die Lichtemissionssteuereinheit 51 kann die lichtemittierenden VCSEL-Arrays 21, die den Lichtstrahl SB emittieren, nacheinander schalten, um eine eindimensionale Bewegung entlang der kurzen Richtung zu ermöglichen, oder sie kann die VCSEL-Arrays 21, die den Lichtstrahl SB emittieren, reziprok schalten, um eine zweidimensionale Bewegung entlang der kurzen Richtung zu ermöglichen, d.h. hin und her entlang der X-Richtung.
Die von den einzelnen VCSEL-Arrays 21 emittierten Gruppe von Lichtstrahlen SB bilden einen Projektionslichtstrahl PB, der auf den Messbereich projiziert wird, ohne von der reflektierenden Oberfläche 36 des Abtastspiegels 33 reflektiert zu werden. Der Projektionslichtstrahl PB, der aus der Gruppe von Lichtstrahlen SB besteht, die von verschiedenen VCSEL-Arrays 21 emittiert werden, werden auf verschiedene Positionen des Messbereichs projiziert.
Die Abtasteinheit 30 verwendet den Abtastspiegel 33, um nur den reflektierten Lichtstrahl RB von dem Projektionslichtstrahl PB und dem reflektierten Lichtstrahl RB zu reflektieren. Die Richtung des Abtastspiegels 33 in der Abtasteinheit 30 wird synchron mit dem Schalten der Lichtemission des VCSEL-Arrays 21 durch die Abtaststeuereinheit 52 gesteuert (siehe 1). Die Abtasteinheit 30 ändert die Ausrichtung der reflektierenden Oberfläche 36 durch Drehen des Abtastspiegels 33 um die Drehachse AS und bewirkt entsprechend, dass der reflektierte Lichtstrahl RB, der von den verschiedenen Positionen des Messbereichs zurückkommt, in den Detektor 41 eintritt.
Die LiDAR-Vorrichtung 400 der bisher beschriebenen vierten Ausführungsform hat auch den gleichen Effekt wie die zweite Ausführungsform, d.h. während die Zunahme der Breite jedes der Projektionslichtstrahlen PB in einer Linienform durch die Verwendung der konkaven Zylinderlinse 261 und der konvexen Zylinderlinse 271 unterdrückt wird, ist es möglich, die Zunahme des Volumens / der Größe des optischen Systems zu unterdrücken.
Ferner kann, wenn mit dem Projektionslichtstrahl PB elektronisch abgetastet wird, indem mehrere VCSEL-Arrays 21 nacheinander eingeschaltet werden, wie in der vierten Ausführungsform, die Größe der Abtasteinheit 30 verringert werden, wodurch das Volumen / die Größe der LiDAR-Vorrichtung 400 weiter reduziert wird. Darüber hinaus kann, auch in einer solchen Form, die Streuung bzw. Ausbreitung der Linienbreite jedes der Projektionslichtstrahlen PB, die jeweils von den mehreren VCSEL-Arrays 21 emittiert werden, unterdrückt werden. Daher kann die optische Einheit 60, einschließlich der konkaven Zylinderlinse 261 und der konvexen Zylinderlinse 271, auch in einer Konfiguration vom Blink- bzw. Flash-Typ, in der der Abtastspiegel 33 nicht für die Abtastbewegung des Projektionslichtstrahls PB verwendet wird, einen Speckle-Reduktionseffekt hervorbringen. In der vierten Ausführungsform entspricht die LiDAR-Vorrichtung 400 übrigens einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Fünfte Ausführungsform)
Die in 13 gezeigte fünfte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Modifikation der vierten Ausführungsform. Bei einer LiDAR-Vorrichtung 500 der fünften Ausführungsform entfällt die Konfiguration, die der Abtasteinheit 30 entspricht (siehe 12). Andererseits ist die Lichtempfangseinheit 40 mit mehreren Detektoren 41 ausgestattet. Die mehreren Detektoren 41 sind entlang der kurzen Richtung der Erfassungsoberfläche 42 angeordnet, die eine langrechteckige Form aufweist. Jeder der Detektoren 41 führt eine Detektion synchron mit einer elektronischen Abtastung der VCSEL-Arrays 21 unter der Erfassungssteuerung der Messberechnungseinheit 53 durch (siehe 1). D.h., von den mehreren Detektoren 41 erfasst ein Detektor 41, der mit dem VCSEL-Array 21 verknüpft ist, das den Lichtstrahl SB emittiert, den reflektierten Lichtstrahl RB.
Die LiDAR-Vorrichtung 500 der fünften Ausführungsform, die bisher beschrieben ist, hat den gleichen Effekt wie die vierte Ausführungsform, d.h. sie unterdrückt die Zunahme der Breite jedes der Projektionslichtstrahlen PB in einer Linienform durch die Verwendung der konkaven Zylinderlinse 261 und der konvexen Zylinderlinse 271, was es ermöglicht, die Zunahme des Volumens / der Größe des optischen Systems zu unterdrücken. Ferner ist es, da die Abtasteinheit 30 in der fünften Ausführungsform entfallen kann, möglich, die Vergrößerung des Volumens bzw. der Größe der LiDAR-Vorrichtung 500 weiter zu unterdrücken. In der fünften Ausführungsform entspricht die LiDAR-Vorrichtung 500 übrigens einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Sechste Ausführungsform)
Die in den 14 und 15 gezeigte sechste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist noch eine weitere Modifikation der zweiten Ausführungsform. Die optische Einheit 60 der sechsten Ausführungsform enthält zusätzlich zu dem ersten optischen Element 61, dem zweiten optischen Element 71 und der Strahlformungslinse 87 einen Homogenisator 80.
Der Homogenisator 80 wird zwischen der Lichtemissionseinheit 20 und dem ersten optischen Element 61 angeordnet. Der Homogenisator 80 gleicht eine Intensität des Lichtstrahls SB in der Gruppe von Lichtstrahlen SB entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs aus. Der Homogenisator 80 ist aus einer ersten Lentikularlinse 181, einer zweiten Lentikularlinse 184 und dergleichen aufgebaut. Die erste Lentikularlinse 181 und die zweite Lentikularlinse 184 weisen im Wesentlichen die gleiche Konfiguration auf und sind optische Elemente, die durch kontinuierliche Anordnung einer großen Anzahl von plankonvexen Linsenabschnitten gebildet werden.
Die erste Lentikularlinse 181 ist in der optischen Einheit 60 vor der zweiten Lentikularlinse 184 angeordnet. Die erste Lentikularlinse 181 hat eine glatte, ebene Einfallsoberfläche 82 und eine Emissionsoberfläche, auf der mehrere Emissionsoberflächenabschnitte 83 kontinuierlich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs ausgebildet sind. Die Einfallsoberfläche 82 ist so angeordnet, dass sie den Lichtemissionsbereichen 22 der mehreren VCSEL-Arrays 21 zugewandt ist. Jeder der Emissionsoberflächenabschnitte 83 hat eine zylindrische Form, die in Richtung der Emissionsseite auf der Unterabtastebene SS konvex gekrümmt ist.
Die zweite Lentikularlinse 184 ist hinter der ersten Lentikularlinse 181 in der optischen Einheit 60 angeordnet. Die zweite Lentikularlinse 184 weist eine Einfallsoberfläche, bei der mehrere Einfallsoberflächenabschnitte 85 kontinuierlich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs ausgebildet sind, und eine glatte, ebene Emissionsoberfläche 86 auf. Jeder der Einfallsoberflächenabschnitte 85 hat eine zylindrische Form, die in Richtung der Einfallsseite auf der Unterabtastebene SS konvex gekrümmt ist. Jeder der Einfallsoberflächenabschnitte 85 ist so angeordnet, dass er jedem der Emissionsoberflächenabschnitte 83 im Wesentlichen koaxial gegenüberliegt. Zwischen jedem der Einfallsoberflächenabschnitte 85 und jedem der Emissionsoberflächenabschnitte 83 ist ein vorbestimmter Abstand reserviert. Die Emissionsoberfläche 86 ist so angeordnet, dass sie der zylindrischen Einfallsoberfläche 62 der ersten konkaven Zylinderlinse 161, die als das erste optische Element 61 vorgesehen ist, zugewandt ist.
Bei der LiDAR-Vorrichtung 600 der bisher beschriebenen sechsten Ausführungsform ist derselbe Effekt wie in der zweiten Ausführungsform erzielbar, d.h. es ist möglich, die Zunahme des Volumens / der Größe des optischen Systems zu unterdrücken, während die Zunahme der Breite jedes der Projektionslichtstrahlen PB, die eine Linienform aufweisen, unterdrückt wird, indem das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 in der optischen Einheit 60 enthalten sind.
Darüber hinaus hat, in der sechsten Ausführungsform, die gegenüberliegende Anordnung jedes der Emissionsoberflächenabschnitte 83 und jedes der Einfallsoberflächenabschnitte 85 den Effekt der Nivellierung oder Homogenisierung der Intensität der Gruppe von Lichtstrahlen SB, die von den mehreren VCSEL-Arrays 21 emittiert werden, die sich entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs erstrecken. Durch die Bereitstellung des Homogenisators 80 mit einem solchen Effekt ist es weniger wahrscheinlich, dass die Intensität des Projektionslichtstrahls PB in einer Linienform auch in der Nähe der beiden Endabschnitte abnimmt. Dadurch lässt sich das Erfassungsvermögen über den gesamten Messbereich verbessern.
In der sechsten Ausführungsform entspricht die erste Lentikularlinse 181 einem „vorderen optischen Element“, die zweite Lentikularlinse 184 einem „hinteren optischen Element“ und die LiDAR-Vorrichtung 600 einer „Lichterfassungsvorrichtung“.
(Weitere Ausführungsformen)
Obgleich vorstehend mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, sollte die vorliegende Offenbarung nicht als auf die obigen Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden und kann auf verschiedene Ausführungsformen und Kombinationen angewandt werden, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
In einer in 16 gezeigten Modifikation 1 der obigen Ausführungsform ist der Homogenisator 80, der im Wesentlichen derselbe ist wie in der sechsten Ausführungsform, mit der Lichtemissionseinheit 20 kombiniert, bei der mehrere VCSEL-Arrays 21 entlang der kurzen Richtung angeordnet sind. Der Homogenisator 80 kann die Funktion zum Ausgleichen der Intensität entlang der Lichtquellen-Array-Richtung ADs für jeden der Lichtstrahlen SB, die jeweils von den mehreren VCSEL-Arrays 21 emittiert werden, aufweisen.
17 zeigt mehrere Modifikationen des VCSEL-Arrays 21 der obigen Ausführungsform. Bei einem VCSEL-Array 21a einer Modifikation 2 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 kontinuierlich in einer einzigen Reihe entlang der Längsrichtung eines Lichtemissionsbereichs 22a angeordnet. Bei einem VCSEL-Array 21b einer Modifikation 3 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 intermittierend in einer einzigen Reihe entlang der Längsrichtung eines Lichtemissionsbereichs 22b angeordnet. Bei einem VCSEL-Array 21c einer Modifikation 4 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 kontinuierlich in zwei Reihen entlang der Längsrichtung eines Lichtemissionsbereichs 22c angeordnet. Bei einem VCSEL-Array 21d einer Modifikation 5 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 intermittierend in zwei Reihen entlang der Längsrichtung eines Lichtemissionsbereichs 22d angeordnet. Bei einem VCSEL-Array 21e einer Modifikation 6 und einem VCSEL-Array 21f einer Modifikation 7 ist eine große Anzahl von VCSEL-Elementen 23 durchgehend zweidimensional in Lichtemissionsbereichen 22e und 22f angeordnet. Wie in den oben beschriebenen Modifikationen 2 bis 7 gezeigt, kann die Anordnung der VCSEL-Elemente 23 im VCSEL-Array 21 wie jeweils anwendbar geändert werden.
In Modifikationen 8 und 9 der obigen Ausführungsformen ist nur eines von dem ersten optischen Element 61 und dem zweiten optischen Element 71 in einer Mehrzahl vorhanden. Insbesondere enthält die optische Einheit 60 der Modifikation 8 zwei erste optische Elemente 61 und ein zweites optisches Element 71. Ebenso enthält die optische Einheit 60 der Modifikation 9 ein erstes optisches Element 61 und zwei zweite optische Elemente 71. Wie oben beschrieben, kann die Anzahl von Komponenten des ersten optischen Elements 61 und des zweiten optischen Elements 71 wie jeweils anwendbar geändert werden.
In einer Modifikation 10 der obigen Ausführungsformen sind das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 einstückig ausgebildet. Insbesondere ist die optische Einheit 60 der Modifikation 10 mit einem optischen Element (Linse) ausgestattet, das die optischen Funktionen des ersten optischen Elements 61 und des zweiten optischen Elements 71 aufweist. Die zylindrische Einfallsoberfläche 62 und die zylindrische Emissionsoberfläche 73 sind auf einem solchen optischen Element ausgebildet. In der oben beschriebenen Modifikation 10 ist es möglich, die zwischen dem ersten optischen Element 61 und dem zweiten optischen Element 71 auftretenden Toleranzen zu verringern, und ist es ebenso möglich, Schwankungen in der Position der Verbundbrennebene FPF zu reduzieren. Dadurch können die VCSEL-Elemente 23 auf der Verbundbrennebene FPF mit hoher Genauigkeit angeordnet werden, was eine stabile Bildung des Projektionslichtstrahls PB in einer klaren Linienform ermöglicht.
In einer Modifikation 11 der obigen Ausführungsformen ist wenigstens entweder die zylindrische Einfallsoberfläche 62 oder die zylindrische Emissionsoberfläche 73 asphärisch geformt. Eine solche Linsenform ermöglicht die Bildung eines klaren, Projektionslichtstrahls PB durch die Reduzierung von Aberrationen.
In einer Modifikation 12 der obigen Ausführungsformen sind anstelle der VCSEL-Arrays 21 Laserdioden vom Typ Kantenemitter in der Lichtemissionseinheit 20 als eine Konfiguration entsprechend dem „Lichtemitter“ vorgesehen. Bei der Laserdiode vom Typ Kantenemitter wird Laserlicht parallel zu einem Halbleitersubstrat von einem Laseremissionsfenster auf einer Seitenfläche des Halbleiters emittiert.
In einer Modifikation 13 der obigen Ausführungsformen schwingt der Abtastspiegel nicht innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs RA, sondern dreht sich um 360 Grad in einer Richtung. Bei dem Abtastspiegel der Modifikation 13 sind auf beiden Oberflächen des Spiegelkörpers reflektierende Oberflächen ausgebildet. Der Abtastspiegel kann ein Spiegel sein, der eine zweidimensionale Abtastung durchführt, wie beispielsweise ein Polygonspiegel oder dergleichen.
In Modifikationen 14 und 15 der obigen Ausführungsformen sind die Lichtstrahlachse BLA und die optische Lichtempfangsachse RLA nicht parallel zueinander angeordnet. Insbesondere nimmt in der Modifikation 14 ein Achsabstand zwischen der Lichtstrahlachse BLA und der optischen Lichtempfangsachse RLA allmählich ab, wenn sich beide Achsen der reflektierenden Oberfläche 36 des Abtastspiegels 33 nähern. Andererseits nimmt in der Modifikation 15 der Achsabstand zwischen der Lichtstrahlachse BLA und der optischen Lichtempfangsachse RLA allmählich zu, wenn sich beide Achsen der reflektierenden Oberfläche 36 des Abtastspiegels 33 nähern.
Das erste optische Element 61 und das zweite optische Element 71 in einer Modifikation 16 der obigen Ausführungsformen weisen eine Brechkraft (Power) nicht nur auf der Hauptabtastebene MS auf, sondern ebenso auf der Unterabtastebene SS.
In einer Modifikation 17 der obigen Ausführungsformen ist ein dem Controller 50 entsprechender Rechenprozessor außerhalb des Gehäuses der LiDAR-Vorrichtung vorgesehen. Der Rechenprozessor kann als eine unabhängige In-Vehicle-ECU vorgesehen sein oder kann als eine Funktionseinheit in einer Antriebsunterstützungs-ECU oder einer Automatischer-Antrieb-ECU implementiert sein. Ferner ist, in einer Modifikation 18 der obigen Ausführungsformen, die Funktion des Controllers 50 als ein Funktionsabschnitt im Detektor 41 der Lichtempfangseinheit 40 implementiert.
In einer Modifikation 19 der obigen Ausführungsformen ist die LiDAR-Vorrichtung auf einem beweglichen Körper montiert, der sich von einem Fahrzeug unterscheidet. Insbesondere kann die LiDAR-Vorrichtung an einem unbemannten und beweglichen Lieferroboter, einer Drohne oder dergleichen montiert werden. In einer Modifikation 20 der obigen Ausführungsformen ist die LiDAR-Vorrichtung an einem unbeweglichen Körper befestigt. Die LiDAR-Vorrichtung kann Zielobjekte wie Fahrzeuge, Fußgänger und dergleichen messen, und zwar in einer Konfiguration, in der sie in eine Straßeninfrastruktur wie eine Vorrichtung am Straßenrand eingebaut ist.
Der Prozessor und das Verfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, können durch eine Verarbeitungseinheit eines speziellen Computers realisiert werden, der programmiert ist, um eine oder mehrere Funktionen auszuführen, die durch ein Computerprogramm verkörpert werden. Alternativ können der Prozessor und das Verfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, durch einen speziellen Hardware-Logikschaltungsaufbau realisiert werden. Ebenso können der Prozessor und das Verfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, durch diskrete Schaltungen realisiert werden. Alternativ können der Prozessor und das Verfahren, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, durch eine Kombination realisiert werden, die beliebig aus einer oder mehreren Verarbeitungseinheiten eines Computers, der Computerprogramme ausführt, einer oder mehreren Hardware-Logikschaltungen und einer oder mehreren diskreten Schaltungen ausgewählt wird. Ferner kann das Computerprogramm auf einem computerlesbaren, nichtflüchtigen, materiellen Speichermedium als von einem Computer ausführbare Befehle gespeichert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2020184034 [0001]
JP 2020 [0004]
JP 34310 A [0004]

Claims

Lichterfassungsvorrichtung, aufweisend: - eine Lichtemissionseinheit (20) mit mehreren Lichtemittern (23), die entlang einer spezifischen Array-Richtung (ADs) angeordnet und konfiguriert sind, um einen Lichtstrahl (SB) zu emittieren; - eine optische Einheit (60), die auf einem optischen Pfad des von der Lichtemissionseinheit emittierten Lichtstrahls positioniert und konfiguriert ist, um einen Projektionslichtstrahl (PB) zu bilden, der sich entlang der spezifischen Array-Richtung erstreckt; und - eine Lichtempfangseinheit (40), die konfiguriert ist, um ein zurückkehrendes Licht (RB) des auf einen Messbereich projizierten Projektionslichtstrahls zu empfangen, wobei - die optische Einheit aufweist: - ein erstes optisches Element (61) mit negativer Brechkraft entlang einer Übertragungsrichtung des Lichtstrahls in einem spezifischen Abschnitt (MS), der orthogonal zur spezifischen Array-Richtung ist; und - ein zweites optisches Element (71), das hinter dem ersten optischen Element positioniert ist und eine positive Brechkraft entlang der Übertragungsrichtung in dem spezifischen Abschnitt aufweist.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Einheit mehrere von wenigstens entweder dem ersten optischen Element oder dem zweiten optischen Element aufweist.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei - die optische Einheit mehrere zweite optische Elemente und mehrere erste optische Elemente aufweist, und - die ersten optischen Elemente vor den zweiten optischen Elementen positioniert sind.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine vordere Emissionsoberfläche (63, 68) des ersten optischen Elements in Kontakt mit einer hinteren Einfallsoberfläche (72) des zweiten optischen Elements ist.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine vordere Emissionsoberfläche (63, 68) des ersten optischen Elements von einer hinteren Einfallsoberfläche (72) des zweiten optischen Elements getrennt ist.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste optische Element und das zweite optische Element einstückig ausgebildet sind.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die optische Einheit vor dem ersten optischen Element ferner aufweist: - ein vorderes optisches Element (181) mit mehreren Emissionsoberflächenabschnitten (83), die entlang der spezifischen Array-Richtung (ADs) angeordnet sind, wobei jeder der Emissionsoberflächenabschnitte in einem orthogonalen Abschnitt (SS), der orthogonal zu dem spezifischen Abschnitt und entlang der Übertragungsrichtung ist, zu einer Emissionsseite hin konvex gekrümmt ist, und - ein hinteres optisches Element (184) mit mehreren Einfallsoberflächenabschnitten (85), die entlang der spezifischen Array-Richtung (ADs) angeordnet und jeweils den mehreren Emissionsoberflächenabschnitten (83) zugewandt sind, wobei jeder der Einfallsoberflächenabschnitte in dem orthogonalen Schnitt in Richtung einer Einfallseite konvex gekrümmt ist.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optische Einheit aufweist: - eine konkave Zylinderlinse (161, 166, 261), als das erste optische Element, mit einer konkaven Einfallsoberfläche (62, 67), die zu einer Einfallseite hin konkav gekrümmt ist; und - eine konvexe Zylinderlinse (171, 176, 271) als das zweite optische Element mit einer konvexen Emissionsoberfläche (73, 78), die zu einer Emissionsseite hin konvex gekrümmt ist.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei wenigstens entweder die konkave Einfallsoberfläche oder die konvexe Emissionsoberfläche als eine asphärische Oberfläche ausgebildet ist.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei - die Lichtemissionseinheit, als die Lichtemitter, ein Laseremissionselement-Array (21) mit oberflächenemittierenden Laserelementen enthält, die als ein zweidimensionales Array in einem Lichtemissionsbereich (22) ausgebildet sind, der sich in der spezifischen Array-Richtung erstreckt, und - jedes der oberflächenemittierenden Laserelemente eine in die Übertragungsrichtung gerichtete Lichtstrahlemissionsoberfläche (24) aufweist.
Lichterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner eine Abtasteinheit (30) aufweisend, die konfiguriert ist, um mit dem von der Lichtemissionseinheit emittierten Lichtstrahl abzutasten, um den Lichtstrahl auf den Messbereich zu projizieren, wobei die Abtasteinheit einen Drehspiegel (33) aufweist, der um eine Drehachse (AS) drehbar ist, die entlang der spezifischen Array-Richtung verläuft.
Lichterfassungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei - die Lichtemissionseinheit mehrere Laseremissionselement-Arrays aufweist, die entlang einer kurzen Richtung des Lichtemissionsbereichs angeordnet sind, und - die mehreren Laseremissionselement-Arrays konfiguriert sind, um den Lichtstrahl nacheinander in der kurzen Richtung zu emittieren.