JP2020505620A - 光学的構成及びこの種の光学的構成を備えたライダ装置 - Google Patents

Abstract

光波を受けるための光学的構成であって、少なくとも１つの入射した光波を、該少なくとも１つの光波を検知するための検出器の面に集束させるための受光器を備え、少なくとも１つの回折光学素子が、受光器と検出器との間に面的に延在して配置されており、少なくとも１つの回折光学素子が、少なくとも１つの光学的機能を有する表面構造を備えた表面を有する、上記光学的構成を開示する。さらに、この種の光学的構成を備えたライダ装置を開示する。【選択図】図１

Description

本発明は、光波を受けるための光学的構成、及びこの種の光学的構成を備えたライダ装置に関する。

ライダ（ＬＩＤＡＲ：Light Detection and Ranging）装置については、様々な構想が存在する。１つの可能性は、所謂「マクロスキャナ」（Makroscanner）を利用することにある。この場合、例えば回転するマクロミラーが、数センチメートルのオーダーの直径を有する。これにより、上記オーダーの直径を有する光線も、上記ミラーを介して案内することが可能である。このような大きなビーム直径は、目の安全性の遵守において特に有利である。なぜなら、規格（IEC 60825-1）で認可された７ｍｍの瞳孔径では、そのビームの一部分しか捕らえられないからである。さらに、より大きな直径は、雨又は埃などのノイズに対して堅牢である。更なる別の可能性は、「マイクロスキャナ」（Mikroscanner）を利用することにある。この場合、数ミリメータのオーダーの直径を有する小さなミラーが利用される。この小さなミラーは、ＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical System）技術により製造され、ビームの偏向を実現するために、１つ又は２つの軸で旋回可能又は回転可能に支承されている。この場合、小さな外形寸法と、微視的に動かされる要素が設けられていないこととが有利である。しかしながら、小さなミラーは、目の安全性及び干渉感受性に関して不利に作用する。さらに、送光路及び受光路のために１つの同じ光路を利用出来るように上記のマイクロミラーに基づくシステムを駆動しうるには困難が伴う。この場合、マイクロミラーは寸法に応じて、受光開口を非常に制限する可能性があり、これにより検出器を最適に照射するために十分な光子を集めることが出来ない。

複雑な受光器を備えた現在のシステムでは、大きな面で延在する検出器を利用する必要がある。このことは、比較的遠くの物体でさえも信頼性高く検出しうるように検出器の信号対雑音比を小さくするために必要である。しかしながら、検出器の面の大きさは、装置の製造コストに直接的な影響を与える。

本発明の根底にある課題は、より小さな検出面の利用を可能とする光学的構成及びこの種の光学的構成を備えたライダ装置を提供することにあるとみなすことができる。

本課題は、独立請求項の各主題によって解決される。本発明の有利な構成は、各従属請求項の主題である。

本発明の一観点によれば、光波を受けるための光学的構成であって、少なくとも１つの入射した光波を、該少なくとも１つの光波を検知するための検出器の面に集束させるための受光器を備え、少なくとも１つの回折光学素子が、受光器と検出器との間に面的に延在して配置されており、少なくとも１つの回折光学素子が、少なくとも１つの光学的機能を有する表面構造を備えた表面を有する、上記光学的構成を提供する。

これにより、回折光学素子を有した、光波を受けるための構成を提供することが可能である。本措置によって、入射した光波を回折により検出器へと偏向又は集束させることが可能であり、レンズ素子のみで構成される光学的構成に比べ検出器の上記面をより小さく実現することが可能である。この場合、回折光学素子は、格子定数又はある画素サイズの画素を有する。各格子定数又は各画素が、回折によって、光学的構成の入射角全体の光を少なくとも１つの方向へと向けて集束させる。光学的構成は、例えば、反射された光波を受けるためのライダ装置において利用することができる。更なる別の適用分野は、例えば、距離計及び速度計とすることができる。この場合、入射した光波は、可視又は不可視スペクトルの任意の波長を有することができる。この光波の可能な波長は、例えばレーザビームが利用される場合には、１５０ｎｍ〜５００μｍの範囲内とすることができる。回折光学素子は、例えば、透過回折格子として実現可能な回折格子とすることができる。このような回折格子は、この場合、光波の波長及び検出器に対して調整された格子定数又は画素サイズを有するラミナー格子又は例えばワイヤー格子としてもよい。回折光学素子の光学的機能は、例えば、回折により光波を集束させ又は集束させることとしてもよい。さらに、可能な光学的機能として、検出器の複数の領域若しくは複数の検出器へと光波を広げること、結像エラーの補正、又は光波の波長若しくは光波の入射角に基づく選択的透過が考えられる。

一実施形態によれば、光学的構成の回折光学素子は、光波を偏向又は集束させるためのホログラムとして実現できる。回折光学素子は、その応用可能性によりホログラムを含むことに注意されたい。これにより、ホログラムは、回折光学素子の特別な応用として見なすことができる。ホログラム又はホログラフィック光学素子は、技術的に簡単に、かつ安価で製造できる。例えば、ホログラムを製造するために、フォトリトグラフィー法を利用することができる。代替的には、ホログラムプリンタでホログラムを製造してもよい。その場合、プリンタは例えば、ホログラムの各画素に対して異なる光学的機能を対応付けることも可能である。

他の実施形態においては、回折光学素子は、光波を偏向又は集束させるための体積ホログラムとして実現できる。これにより、回折光学素子は、特に高い回折効率をもつことができる。特に体積ホログラムは、ここでは位相ホログラムとして実現することができる。体積ホログラムは、一定の又は可変的な角度選択性及び／又は波長選択性を有してもよい。これにより、上記の体積要素は、干渉光又はスプリアス反射を抑制し、また追加的なフィルタ機能を有することが可能である。入射角及び／又は波長及び／又はフィルタ機能の選択性の度合いは、この場合、例えばホログラフィック層若しくは体積ホログラムの厚さ及び屈折率等の材料パラメータによって制御することができる。

他の実施形態によれば、検出器は、該検出器の面に沿って均等又は不均等に分散した複数の検出セルを有する。この場合、検出器は、入射した光波をその場所に応じて（ｏｒｔｓａｂｈａｅｎｇｉｇ）検知することを可能とする複数のセンサ又は検出セルから成るアレイ又はマトリックスとして構成することができる。センサは、例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、ＡＰＤセンサ、又はＳＰＡＤセンサとしてもよい。

他の実施形態によれば、受光器は、入射した光波を、少なくとも１つのレンズ素子を介して少なくとも１つの回折光学素子に集束させる。これにより、回折光学素子を入射角に対応して照射することができるため、上記構成の効率を改善することができる。

好適な実施形態では、回折光学素子は、平坦又は非平坦な表面を有する。ここで、この表面は、例えば表面構造を有しもよい。好適には、回折光学素子は、平坦又は非平坦な表面を有する体積ホログラムとして実現してもよい。他の可能性としては、体積ホログラムは、湾曲した形状により、少なくとも１つの非平坦な表面を有することができる。表面構造は、好適には、ナノメータ、マイクロメータ、ミリメータの範囲内にある。例えば湾曲した非平坦な表面を利用する際には、回折光学素子の回折挙動に対し追加的に影響を与えることが可能である。これにより、回折光学素子は、様々な構成に対して適合させることができる。代替的には、回折光学素子の両面に表面構造を備えもよい。この場合、各表面は選択的に、平坦又は非平坦に実現することができる。

好適な実施形態によれば、光学的機能は、回折光学素子の表面に沿って変化する。これにより、例えば回折光学素子の表面の縁部では、表面の中央領域とは格子定数又は画素サイズを異ならせてもよい。従って縁部領域では、光波に対して、回折光学素子の表面の中央領域とは異なった影響を与えることが可能である。

更なる別の実施形態では、回折光学素子の表面は、少なくとも２つの重畳した光学的機能を有する。これにより、回折光学素子は、同時に複数の光学的機能を有することが可能である。これにより、偏向及び集束の他に、例えばフィルタ機能も実現できる。従って、回折光学素子の構成によって、結像エラーも補正することが可能である。

更なる別の実施形態によれば、回折光学素子は、少なくとも１つの光波の波長に依存する光学的機能を有する。これにより、例えば回折光学素子の透過性が、所定の波長を有する光波のみが回折光学素子を通過しうるように調整できる。さらに、光学的機能は、光波を場所に応じて異なる強度を偏向し又は異なる強度で集束させるように調整することができる。例えば、光波の偏向は、回折光学素子の縁部領域ではより強く実施し、例えば回折光学素子の光軸の領域ではより弱く実施することができる。さらに、これにより追加的なフィルタ効果を実現することができる。

一実施形態において、各検出セルは、回折光学素子の少なくとも２つの画素によって照射される。これにより、より低い信号対雑音比を受け入れながら、干渉耐性に対する要求が低い応用において、光波を、複数のホログラム画素の各々で１つの検出セルに対して合焦させることができる。これにより、各検出セルは、特に強く光照射され、したがってより小さくし、またより速く読み取ることができる。代替的には、検出器自体もより小さくすることができる。この場合、検出セルは同じ大きさのままとしてもよく、あるいはより大きくしてもよい。

本発明の他の観点によれば、少なくとも１つの回転可能又は旋回可能な光源と、光学的構成とを備えた、少なくとも１つの光波を送受するためのライダ（ＬＩＤＡＲ）装置を提供する。

光波を送光及び受光するためのライダ装置において、本発明の一観点に係る光学的構成を利用することによって、少なくとも１つの光学的機能を備えた回折光学素子が利用される。本措置によって、入射する光波を回折により検出器へと偏向又は集束させることが可能であり、レンズ素子のみで構成される光学的構成と比べ検出器の面積をより小さくすることができる。より小さな検出器の利用、及び光学的構成の光路内のレンズの低減によって、ライダ装置の製造コストを下げることが可能である。

一実施形態において、光学的構成は、少なくとも１つの光源と同期して回転可能又は旋回可能である。これにより、例えば、光源による光波を送るための光路と、光学的構成による反射された光波を受けるための光路とを共有することができる。代替的には、回転又は旋回は、光波を可変的に偏向することによっても行うことができる。例えば、偏向ミラーが回転又は旋回することができる。この構成は、技術的に簡単に実現することが可能である。

以下では、非常に簡素化した概略図を用いて、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

第１の実施形態に係る光学的構成の概略図を示す。 第２の実施形態に係る光学的構成の概略図を示す。 第３の実施形態に係る光学的構成の概略図を示す。 第１の実施形態に係る光学的構成を備えたライダ装置の概略図を示す。

図では、同じ構成要素はそれぞれ同じ符号を有する。

図１は、第１の実施形態に係る光学的構成１の概略図を示している。特に、光学的構成１の縁部領域における、入射角β／２を定めるビーム路２が示されている。従って、入射した光波は、入射角β／２により、受光器４を介して回折光学素子６へ、続いて検出器８へと偏向又は集束させることができる。受光器４は、ここでは、凸状の集光レンズの形態により実現されている。代替的に、受光器４は、光波の集束の他に例えば収差又は非点収差等の結像エラーを打ち消す凸レンズ及び／又は凹レンズから成る一群又はシステムを有していてもよい。回折光学素子６は、本実施形態によれば、受光器４から間隔１０を置いて配置されたホログラム又はホログラフィック光学素子６である。間隔１０は、光波が入射した際に回折光学素子６が完全に照射され又は照らされるように、選択される。回折光学素子６は、光学的機能として集束を含み、入射した光波が検出器８に当たるように、入射した光波を回折させる。検出器８は、矩形の形状をしており、複数の検出セル１８で構成される。ホログラム６は、光学的機能が格納された複数のホログラム画素１６を有する。この場合、光学的機能は、各ホログラム画素１６に格納されており、本実施形態では各ホログラム画素１６において同一である。代替的に、光学的機能は、ホログラム６の長さに沿って局所的に変化させることもできる。従って、例えば、入射した光波は、局所的に、照射されたホログラム画素１６の光学的機能に従って様々な方向に偏向させ、又は様々な焦点距離により集束させることができる。受光器４とホログラム６との間の間隔１０、ホログラム６と検出器８との間の間隔１２、並びにホログラム画素１６及び検出セル１８のサイズは互いに対して調整し、また光波の波長に対して調整している。ここでは、各ホログラム画素１６に対して１つの検出セル１８を対応配置しており、検出セル１８の数は、ｎ×ｎ個のホログラム画素１６に対応している。ホログラム６を間に挿入することによる検出器８の面積の減少量は、以下の関係式から得られる。
［数１］
サイズ＿ホログラム画素＝ｎ＊サイズ＿検出セル

これに基づいて、ホログラム１６の利用による検出器１６の面積の縮小度は、以下のように得られる。
［数２］
面積＿Ｄｅｔ_ｎｅｕ＝面積＿Ｄｅｔ_ａｌｔ／ｎ^２

ここでは、例えば、温度変化、又は、ロット変動若しくは製造誤差に起因する波長シフトによる光波の所定の波長とのずれを考慮できるようにするために、検出セル１８のサイズを大きくすることが可能である。

図２は、第２の実施形態に係る光学的構成１の概略図を示している。第１の実施形態に係る光学的構成１とは異なって、本実施形態では、ホログラム６は、局所的に変化する光学的機能を有する。ホログラム６は、２つの領域に分けられており、そのうちの各領域が、入射した光波を検出器８の面全体に対して向ける。これにより、検出セル１８を２倍の光強度で照射することが可能である。従って、検出セル１８をより小さく構成することが可能である。これにより、検出器８の面積を小さくすることが可能である。分かりやすくするために、ホログラム６の一方の半分の領域により偏向された光線２０のみを示している。

信号対雑音比が悪くなるほど、上記構成は、干渉に関して問題がない応用に対し特に適している。その例が、室内での応用、又は距離が短い場合の応用である。代替的に、3つ以上のホログラム画素１６によって１つの検出セル１８を照射する変形例も可能である。

図３は、第３の実施形態に係る光学的構成１の概略図を示している。本実施形態では、第１及び第２の実施形態とは異なって受光器４を使用していない。その代わり、ホログラム６又は回折光学素子６は放物線状に湾曲しており、これにより、上述の実施形態とは異なって平坦な面の形状により実現していない。本実施形態では、ホログラム画素１６の光学的機能は、ホログラム６の局所的な長さに沿って変化し、従って、少なくとも１つの光波が検出器８へと集束される。

図４には、第１の実施形態に係る光学的構成１を備えたライダ装置２４の概略図が示されている。ライダ装置２４は、コヒーレントな光波を発信するためのレーザである光源２６を有する。本実施形態によれば、装置２４全体が旋回可能に実現され、これにより、物体２８の特定の角度及び物体２８の速度をサンプリングすることができる。この場合、速度を決定するために、物体２８との距離についての通過時間測定の変更を行い、これに基づいて速度を計算することができる。特に、光学的構成１は、反射した光波３２を受けるための受光構成として機能する。例えば、レーザ２６により生成された光波３０が物体２８又は障害物２８に当たった場合には、光波３０が部分的に反射される。このようにして、反射された光波３２が受光器４の内部へと達することができる。受光器４は、光波３２をホログラム６に集束させる。ホログラム６自体は、光学的なエラーを補正し、光波３２を検出器へと送ることが可能であり、従って、反射された光波３２を最適に検出することができる。生成された光波３０の通過時間と反射された光波３２の通過時間との差から距離を求めることができ、複数の測定値がある場合には、物体２８との距離及び物体２８の輪郭も求めることができる。

Claims (12)

1. 光波を受けるための光学的構成（１）であって、少なくとも１つの入射した光波（３２）を、該少なくとも１つの光波（３２）を検知するための検出器（８）の面に集束させるための受光器（４）を備える、前記光学的構成（１）において、
   少なくとも１つの回折光学素子（６）が、前記受光器（４）と前記検出器（８）との間に面的に延在して配置されており、該少なくとも１つの回折光学素子（６）が、少なくとも１つの光学的機能を有する表面構造を備えた表面を有すること、を特徴とする光学的構成（１）。
2. 前記回折光学素子（６）は、光波（３２）を偏向又は集束させるためのホログラムとして実現される、請求項１に記載の光学的構成。
3. 前記回折光学素子（６）は、光波（３２）を偏向又は集束させるための体積ホログラムとして実現される、請求項１又は２のいずれか１項に記載の光学的構成。
4. 前記検出器（８）は、該検出器（８）の前記面に沿って均等又は不均等に分散された複数の検出セル（１８）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学的構成。
5. 前記受光器（４）は、入射した光波（３２）を、少なくとも１つのレンズ素子を介して前記少なくとも１つの回折光学素子（６）に集束させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学的構成。
6. 前記回折光学素子（６）は平坦又は非平坦な表面を有し、該表面に沿って表面構造を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学的構成。
7. 前記光学的機能は、前記回折光学素子（６）の前記表面に沿って変化する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学的構成。
8. 前記回折光学素子（６）の前記表面は、少なくとも２つの重畳された光学的機能を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学的構成。
9. 前記回折光学素子（６）は、前記少なくとも１つの光波（３２）の波長に依存する光学的機能を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学的構成。
10. 前記回折光学素子（６）の少なくとも２つの画素（１６）は、各検出セル（１８）に合焦される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学的構成。
11. 少なくとも１つの回転可能又は旋回可能な光源（２６）と、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学的構成（１）とを備えた、少なくとも１つの光波（３０、３２）を送光及び受光するためのライダ装置（２４）。
12. 前記光学的構成（１）は、前記少なくとも１つの光源（２６）と同期して回転可能又は旋回可能である、請求項１１に記載のライダ装置。
    

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