JP2020515863A - 動的フィルタを備えたｌｉｄａｒ装置および方法 - Google Patents

Abstract

開示されているのは、走査角度を走査するためのＬＩＤＡＲ装置であって、少なくとも１つの電磁放射線を生成するための少なくとも１つの放射源と、少なくとも１つの電磁放射線を走査角度に沿って偏向するための回転可能なミラーと、少なくとも１つの入射電磁放射線を受信し、少なくとも１つの入射電磁放射線を少なくとも１つの検出器に偏向するための受信ユニットと、少なくとも１つのフィルタとを有する、ＬＩＤＡＲ装置において、少なくとも１つのフィルタは、少なくとも１つの入射電磁放射線に適合できる、ＬＩＤＡＲ装置である。さらに、このようなＬＩＤＡＲ装置を備えた走査角度を走査するための方法が開示されている。

Description

本発明は、走査角度を走査するためのＬＩＤＡＲ装置、およびＬＩＤＡＲ装置を用いて走査角度を走査するための方法に関する。

従来のＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）装置は、送信装置と受信装置とからなる。送信装置は、連続して、またはパルス化して電磁放射線を生成および放射する。この電磁放射線が移動物体または静止物体に当たると、電磁放射線は物体によって受信装置の方向に反射される。受信装置は、反射された電磁放射線を検出し、これに受信時間を割り当てることができる。これを、「飛行時間」（ＴＯＦ）分析の範囲で、ＬＩＤＡＲ装置までの物体の距離の算出に使用できる。適用範囲によって、信号品質に高い要求が課される。これは特に、ＬＩＤＡＲ装置が可能な限り長い射程距離と、同時に広い走査角度とを有する場合に該当する。とりわけ信号品質は、どの距離まで、どの角度で、かつどの精度または確率で物体を検出できるかを決定する。この信号品質は、大部分が受信した反射放射線の光学フィルタリングの品質に起因する。これに対して決定的なのは、使用可能なフィルタのスペクトル帯域幅である。フィルタのスペクトル帯域幅が狭いほど、干渉光または周囲光が検出器に当たりづらくなり、信号品質がますます向上する。この通過帯域は、受信した放射線の入射角が大きくなるにつれて、より小さな波長に推移するため、受信した放射線を大きい角度でもなお透過させ得るようにするためには、フィルタは一定の幅を必要とする。現在、入射角に依存したフィルタの透過窓の推移は、ＬＩＤＡＲ装置の物理的限界を表している。

本発明が基礎とする課題は、入射放射線の入射角が変化する場合でも、常に最適な透過特性を有する少なくとも１つのフィルタを有する方法およびＬＩＤＡＲ装置を提供することに見ることができる。

この課題は、独立形式請求項の各主題によって解決される。本発明の有利な形態は、各引用形式請求項の主題である。
本発明の一態様によれば、走査角度を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つの電磁放射線を生成するための少なくとも１つの放射源と、少なくとも１つの電磁放射線を角度に沿って偏向するための回転可能なミラーとを有する。さらに、ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つの入射電磁放射線を受信し、少なくとも１つの入射電磁放射線を少なくとも１つの検出器に偏向するための受信ユニットと、少なくとも１つのフィルタとを有し、少なくとも１つのフィルタは、少なくとも１つの入射電磁放射線に適合できる。

このようなＬＩＤＡＲ装置は、入射放射線の入射角に依存した波長シフトを補償できる動的光学フィルタを有する。特に入射角がより大きい場合、特定の波長範囲のフィルタの透過範囲がより小さな波長に推移する可能性がある。より大きな入射角において、入射電磁放射線がフィルタを限定的にのみ通過し得るか、または全く通過し得ないことを防ぐために、フィルタを適合することができる。これは、例えば、フィルタの位置を適合するか、またはフィルタの少なくとも１つの材料特性を適合することで実現できる。これによって、フィルタの透過範囲を動的に、または静的に適合または追従制御できる。代替的、または追加的に、受信ユニット全体が適合可能である。フィルタは、例えば、規定された１つまたは複数の透過範囲を有する誘電体フィルタであってよい。ここで透過範囲とは、電磁放射線の波長または周波数を指す。電磁放射線は、例えば、可視または不可視の波長範囲におけるレーザ光線または光線であってよい。

ＬＩＤＡＲ装置の一実施例によれば、少なくとも１つのフィルタは、走査角度に沿って回転可能である。これによって、フィルタは旋回可能または回転可能に支承されるため、配向を変えることができる。特に、この措置によって、フィルタに対する入射放射線の相対的な入射角を最適に調整できる。したがって、入射放射線の波長は常にフィルタの少なくとも１つの透過範囲にあり、可能な限り少ない損失でフィルタを通過できる。最適な入射角は、理想的には０°である。しかしながら、フィルタの透過特性と入射放射線の波長シフトによっては、入射角が０°からずれる場合もある。フィルタの配向変更は、例えば、圧電アクチュエータ、静電モータ、または電磁モータ等によって行うことができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つのフィルタは、回転可能なミラーに対して角度変位または角度同期して回転可能である。フィルタは、ミラーに依存してその配向を追従制御または適合できる。ＬＩＤＡＲ装置の要件プロファイルおよび構造次第で、生成された電磁放射線を偏向するために、フィルタをミラーから独立して回転または旋回させることもできる。この場合、フィルタは、例えば時間依存的に適合することができ、したがって、フィルタとミラーとの間の角度変位を実現することができる。これに対して代替的、または追加的に、受信装置全体または受信装置の一部は、フィルタと平行に回転可能または旋回可能であってもよい。

さらなる一実施例によれば、少なくとも１つのフィルタは、調整可能なファブリペロー共振器である。ここで、フィルタは、従来の光学フィルタまたは光共振器であってよい。ここで、ファブリペロー共振器は、少なくとも２つの部分透過性ミラーからなる光共振器に対応する。２つの部分透過性ミラーの互いの距離または共振器長に依存して、特定の波長を有する入射電磁放射線のみが通過できる。より大きな入射角に対して減結合効率を高めるために、部分透過性ミラーの反射率は低くてもよい。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つのフィルタは調整可能な共振器長を有する。２つの部分透過性ミラー間の距離は変更できるため、ファブリペロー共振器の透過波長を適合することができる。例えば、片方または両方の部分透過性ミラーは、ピエゾアクチュエータまたは静電もしくは電磁リニアアクチュエータによって位置調節できる。部分透過性ミラーを位置調節することにより、共振器長、ひいては透過範囲も変更または適合できる。

さらなる一実施例によれば、共振器長は、回転可能なミラーの配向に依存して調整可能である。ここで、生成された放射線を偏向するためのミラーの偏向に応じて、ファブリペロー共振器の共振器長を短縮または延長することができる。反射された電磁放射線は、ミラーの配向と同様の入射角を有する。これによって、透過範囲を入射角に適合させることができる。したがって、入射放射線が常にフィルタを通過できることを保証できる。

さらなる一実施例によれば、少なくとも１つのフィルタは調整可能な屈折率を有する。屈折率の変化は、例えば、電場または磁場による液晶の動的配列によって行うことができる。入射放射線の波長シフトに追加的に、フィルタの透過範囲はその温度に依存できるため、この効果を透過範囲または屈折率の調整に利用できる。特に、屈折率は材料の密度に依存し、ひいては温度にも依存する。したがって、屈折率は、フィルタまたはフィルタの一部の温度によっても調整できる。例えば、ファブリペロー共振器では、部分透過性ミラーはガラスまたは透明な担持材料上に蒸着または載置される。この担持材料は、温度および／または電場もしくは磁場の適用により、屈折率が変化し得る。通常のフィルタでは、屈折率も同様に透過範囲に影響を与える。したがって、フィルタまたはフィルタの少なくとも一部を冷却または加熱して、望ましくない効果を補償し、またはフィルタを適合することができる。温度は、例えば空冷または水冷により下げることができる。同様に、フィルタは温水または温風で加熱できる。代替的に、フィルタの加熱は、導電性層または被膜によって行うことができる。したがって、フィルタの１つまたは複数のガラス要素をジュール熱で加熱できる。

ＬＩＤＡＲ装置の別の一実施例によれば、屈折率は、回転可能なミラーの配向に依存して調整可能である。有利には、屈折率は、フィルタの透過範囲が波長シフトまたは入射放射線の入射角に適合するように調整される。このようにして、例えばガラス等のフィルタまたはフィルタの一部の屈折率、透過範囲は、入射放射線が可能な限り完全に、かつ損失なくフィルタを通過できるように追従制御できる。

さらなる一実施例によれば、少なくとも１つの入射電磁放射線をフィルタリングするための少なくとも２つのフィルタが、互いに角度変位されて配置されている。説明された例に代替的、または追加的に、複数のフィルタが使用されてもよく、それらは互いにある角度で配置されている。これにより、入射角がもはや単一の静的フィルタの場合と同じ大きさにはなり得ないため、各フィルタが入射放射線に動的に反応しづらくなる。したがって、フィルタに対する入射放射線の相対的な入射角は、例えば半円形に配列された静的または動的フィルタの数が増加することによってますます減少する。これによって、各フィルタは、入射角または少なくとも１つの隣接フィルタに依存して、またはこれらから独立して、適合可能または変更可能である。代替的、または追加的に、フィルタのすべてまたは一部は、動的適合性を持たない通常の光学フィルタであってもよい。

さらなる一実施例によれば、少なくとも１つの入射電磁放射線をフィルタリングするための少なくとも１つのフィルタは、湾曲を有する。有利には、ＬＩＤＡＲ装置の走査角度を少なくとも部分的にカバーし、ひいては入射反射放射線がフィルタに当たることができる角度範囲をカバーする湾曲を有するフィルタを使用することができる。フィルタは、入射放射線の入射角から独立して、入射放射線が常にフィルタに垂直に当たるように配向することができる。ここで追加的に、フィルタは、例えば温度変更により、屈折率を動的に適合できる。そのようなフィルタは、代替的に、変化する曲率半径を有する湾曲を有してもよい。この場合、入射放射線にフィルタを適合させるために、少なくとも１つの長さに沿ってフィルタを移動することが有利であり得る。

本発明の別の一態様によれば、ＬＩＤＡＲ装置を用いて走査角度を走査するための方法が提供される。ステップでは、少なくとも１つの電磁放射線が生成され、走査角度に沿って偏向される。少なくとも１つの偏向電磁放射線は、走査角度に配置された物体で反射され得る。少なくとも１つの反射電磁放射線は、少なくとも１つの入射放射線になり、受信され、フィルタリングされる。続いて、少なくとも１つの入射放射線が検出され、少なくとも１つの入射放射線の波長および／または入射角に応じて少なくとも１つのフィルタが適合される。これにより、フィルタを動的に変更できる。特に、フィルタは、入射放射線の入射角に依存して、入射放射線の波長に適合させることができる。したがって、入射放射線がフィルタに対して相対的に可能な限り小さい入射角でフィルタに当たるように、フィルタを移動または回転させることが可能である。代替的、または追加的に、フィルタの材料特性を適合させることができる。フィルタとしての光共振器の場合、入射放射線の波長に適合した透過範囲を提供可能にするために、共振器長を動的に変更できる。ここで、適合は、方法のサンプリングレートに応じて連続的に行うことができる。

以下に、非常に簡略化された概略図に基づいて、本発明の好ましい実施例をより詳しく説明する。

第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第２の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第５の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。 第６の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受信ユニットの概略図である。

図において、同じ構成要素はそれぞれ同じ参照番号を有する。
図１は、ＬＩＤＡＲ装置１の第１の実施例を示す。ＬＩＤＡＲ装置１は、電磁放射線４を生成するための放射源２を有する。実施例によれば、放射源２はレーザ２である。実施例によれば、レーザ２は非可視赤外線の波長を有する放射線４を生成するために機能する。波長は、例えば８００ｎｍより大きくすることができる。レーザ２によって生成された放射線４は、回転可能なミラー６によって偏向される。ここで、ミラー６は回転軸Ｒに沿って旋回可能である。したがって、ミラー６は、定義された水平走査角度Ｈに沿って生成された放射線４を偏向できる。追加的に、ミラー６は、水平走査角度Ｈに直交して旋回可能であり、ひいては垂直走査角度Ｖをカバーする。これにより、ＬＩＤＡＲ装置１は立体角Ｖ×Ｈを走査し、この立体角Ｖ×Ｈに位置する考え得る物体８の位置を特定できる。生成された放射線４は、物体８において少なくとも部分的に反射され、反射放射線または入射放射線１０になる。入射放射線１０は、受信ユニット１２によって受信される。

図２は、第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図である。実施例を明示化するために、補助的に物体８も同様に示されている。受信ユニット１２は、ｘ−ｙ平面で示されている。ｘ−ｙ平面を回転軸Ｒは直交して延びている。受信ユニット２は、入射放射線１０を有利には通過させ、干渉光または干渉反射を遮断するフィルタ１４を有する。そのようなフィルタ１４の透過範囲は、入射角の増加とともにより小さい波長に推移するため、透過範囲は大きくなければならないか、考え得る入射角βは小さくなければならないかのいずれかである。ここで、入射角βは、水平走査角度Ｈの割合と垂直走査角度Ｖの割合との両方を有する。割合は０°であってもよい。実施例によれば、フィルタ１４は回転可能に支承されており、図示されていない圧電アクチュエータによって、ミラー６と同期して、回転軸Ｒに平行に延びている回転軸に沿って回転または周期的に旋回される。これにより、大きな水平走査角度Ｈを走査することができる。特に、フィルタ１４は、入射放射線１０が可能な限り垂直にフィルタ１４に当たるように追従制御される。これによって、入射放射線１０の角度依存性波長変化が存在しないか、またはわずかにしか存在しないため、フィルタ１４の狭い透過範囲を選択することができる。物体８が光軸Ａの前方に、または少しずれて配置されている場合、破線で記載されたフィルタ１４はその角度の適合性を持たない。光軸Ａから遠くにある物体８の場合、入射放射線１０はより大きな入射角βを有する。フィルタ１４はミラー６と同期して旋回するため、確かに入射角βは光軸Ａに対して相対的に大きく、例えば２０°より大きいが、追従制御フィルタ１４に対して相対的に入射角βは０°である。したがって、入射放射線１０は、フィルタ１４を透過し、受信光学系１６に到達することができる。受信光学系１６は、入射放射線１０を検出器１８に向ける。検出器１８は、入射放射線１０を記録し、これらに例えば、ミラー６の受信時間および走査角度Ｈ、Ｖを提供する。

図３は、第２の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図を示す。第１の実施例とは異なり、受信ユニット１２は、ファブリペロー共振器２０からなる適合可能なフィルタ１４を有する。ファブリペロー共振器２０は、２つの部分透過性ミラー２２、２４を有する。部分透過性ミラー２２、２４のそれぞれは、ガラス基板２６および部分透過性被膜２８からなる。ここで、第１の部分透過性ミラー２２は静止しており、配置転換できない。第２の部分透過性ミラー２４は、図示されていないアクチュエータによりスライド可能に配置されている。したがって、第２の部分透過性ミラー２４をスライドさせることにより、共振器長３０または２つの部分透過性ミラー２２、２４間の距離を変えることができる。入射光線１０が共振器長３０に対して相対的に特定の波長を有している場合、入射光線１０はファブリペロー共振器２０を通過できる。したがって、共振器長３０を調整することにより、特定の波長を有する入射放射線１０の透過範囲を生成することができる。例えば、より短い波長を有する入射放射線１０がファブリペロー共振器２０を通過できるようにするには、共振器長３０を縮小する必要がある。これは、その元の位置に破線で示されている第２の部分透過性ミラー２４によって示されている。

図４には、第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図が示されている。第２の実施形態に追加的に、受信ユニット１２は、ファブリペロー共振器２０を冷却することができるファン３２を有する。さらに、ファン３２によって生成された空気流を加熱するための加熱要素３４がファン３２に後置接続されている。矢印は、ファン３２によって生成された空気流を示している。特に、部分透過性ミラー２２、２４の温度は、ある温度を加えられた空気流によって調整される。追加的に、部分透過性ミラー２２、２４の間の空気または流体にも、空気流の温度を加えてもよい。これにより、流体または部分透過性ミラー２２、２４の密度が適合される。ファブリペロー共振器２０の構成要素の屈折率は密度に依存するため、屈折率は温度を変更することにより適合できる。したがって、ファブリペロー共振器２０の透過範囲は、温度調整によって調節するか、または入射放射線１０に適合させることができる。

図５ａおよび図５ｂは、第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図を示す。すでに述べた実施例とは異なり、受信ユニット１２は、全体的に回転軸Ｒに沿って回転可能に支承されており、ミラー６の偏向に対応することができ、ひいては入射放射線１０の入射角βに応じて、図示しないアクチュエータによって追従制御され得る。

図６には、第５の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図が示されている。これまでの実施例とは異なり、受信ユニット１２は３つの静止フィルタ１４を有する。フィルタ１４は、互いに相対的な角度で配置されている。実施例によれば、フィルタ１４は、回転軸Ｒを中心点として略半円形に配置されている。これによって、入射放射線１０は、それぞれのフィルタ１４に対して相対的な小さい入射角βを有する。ここで、入射放射線１０は、光軸Ａに対して相対的に大きい入射角βで、光軸Ａに対して曲がったフィルタ１４に当たる。

図７には、第６の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１２の概略図が示されている。第６の実施例とは異なり、受信ユニット１２は、湾曲を有するフィルタ１４を有する。フィルタ１４は一体に構成されており、入射放射線１０がフィルタ１４に対して相対的に０°の相対入射角βを有するような湾曲を有する。

Claims (11)

1. 走査角度（Ｈ、Ｖ）を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、少なくとも１つの電磁放射線（４）を生成するための少なくとも１つの放射源（２）と、前記少なくとも１つの電磁放射線（４）を前記走査角度（Ｈ、Ｖ）に沿って偏向するための回転可能なミラー（６）と、少なくとも１つの入射電磁放射線（１０）を受信し、前記少なくとも１つの入射電磁放射線（１０）を少なくとも１つの検出器（１８）に偏向するための受信ユニット（１２）と、少なくとも１つのフィルタ（１４）とを有する、ＬＩＤＡＲ装置において、前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、前記少なくとも１つの入射電磁放射線（１０）に適合できることを特徴とする、ＬＩＤＡＲ装置。
2. 前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、前記走査角度（Ｈ、Ｖ）に沿って回転可能である、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、前記回転可能なミラー（６）に対して相対的に角度変位または角度同期して回転可能である、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、調整可能なファブリペロー共振器（２０）である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、調整可能な共振器長（３０）を有する、請求項４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 前記共振器長（３０）は、前記回転可能なミラー（６）の配向に依存して調整可能である、請求項４または５に記載のＬＩＤＡＲ装置。
7. 前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は、調整可能な屈折率を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
8. 前記屈折率は、前記回転可能なミラー（６）の配向に依存して調整可能である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 前記少なくとも１つの入射電磁放射線（１０）をフィルタリングするための少なくとも２つのフィルタ（１４）が、互いに角度変位されて配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
10. 前記少なくとも１つの入射電磁放射線（１０）をフィルタリングするための前記少なくとも１つのフィルタ（１４）は湾曲を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置（１）を用いて走査角度（Ｈ、Ｖ）を走査するための方法であって、
    − 少なくとも１つの電磁放射線（４）を生成するステップと、
    − 前記少なくとも１つの電磁放射線（４）を、前記走査角度（Ｈ、Ｖ）に沿って偏向するステップと、
    − 物体（１８）で反射した少なくとも１つの入射放射線（１０）を受信しフィルタリングするステップと、
    − 前記反射した少なくとも１つの入射放射線（１０）を検出するステップと、
    を有する、方法において、
    前記少なくとも１つの入射放射線（１０）の波長および／または入射角（β）に応じて少なくとも１つのフィルタ（１４）が適合されることを特徴とする、方法。

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