JP2020521144A - より高い走査周波数を有するｌｉｄａｒ装置および走査領域を走査するための方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのビームによって走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置であって、少なくとも１つのビームを生成するための少なくとも１つのビーム源と、物体で反射されたビームを、回転軸に垂直に位置合わせされた検出器に向けて偏向するための、回転軸の周りで回転可能な少なくとも２つのミラーとを備える、ＬＩＤＡＲ装置において、少なくとも２つのミラーが、それぞれ１つの波長範囲に関して反射性を有し、回転軸の領域内で、ある角度で互いに接続可能である、ＬＩＤＡＲ装置が開示される。さらに、ＬＩＤＡＲ装置を用いて走査領域を走査するための方法が開示される。

Description

本発明は、少なくとも１つのビームを用いて走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置、およびＬＩＤＡＲ装置を用いて走査領域を走査するための方法に関する。

一般的なＬＩＤＡＲ（光検出および測距）装置は、レーザ、またはビームを生成するためのビーム源を利用し、このビームは、その後、走査領域の制御された走査のために偏向ユニットを介して偏向される。偏向ユニットは、複数の回転可能なミラーの形で実施することができ、これらのミラーは、順次に、ミラーに放出されるビームを走査領域の方向に偏向する。ここで、ビーム源は通常、ミラーの回転軸に垂直に配置されている。走査領域内に物体が配置されている限り、偏向されたビームは、物体で反射または散乱されて、ＬＩＤＡＲ装置に戻ることができる。反射されたビームは、ミラーを介して検出器に向けて偏向させることができ、その後、得られた測定データを評価することができる。ここで、ビーム源と検出器との両方を位置固定して配置することができる。走査領域の走査周波数を高めるために、例えば、より多数の回転可能なミラーを使用するか、またはミラーをより高い回転速度で回転させることができる。しかし、より高い回転速度を可能にするには、より強力な、したがってより大きな駆動モータを使用しなければならない。追加のミラーを使用する際、ミラーが互いに妨害する可能性がある。これにより、回転ミラーの数が増えると共に走査領域がますます小さくなる。

本発明の根底にある課題は、寸法を変えずにより高い走査周波数を有するＬＩＤＡＲ装置、およびそのようなＬＩＤＡＲ装置を操作する方法を提供することに見ることができる。

この課題は、独立クレームのそれぞれの主題によって解決される。本発明の有利な形態は、それぞれ従属する従属請求項の主題である。

本発明の一態様によれば、少なくとも１つのビームを用いて走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つのビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を有する。さらに、ＬＩＤＡＲ装置は、物体で反射されたビームを、ミラーの回転軸に垂直に位置合わせされた検出器に向けて偏向するために、回転軸の周りで回転可能な少なくとも２つのミラーを備える。本発明によれば、少なくとも２つのミラーは、それぞれある波長範囲に関して反射性を有し、回転軸の領域で、ある角度で互いに接続可能である。

ＬＩＤＡＲ装置が、同じ設置スペースまたは同じ寸法で、受信パワーを損失することなく、より高い走査周波数を有するためには、その時点でビームの反射に使用されていないミラーによる反射が検出を妨げてはならない。これは特に、規定の波長範囲内の波長を有するビームを反射することができるミラーによって実現することができる。それに対し、規定の波長範囲外にある波長を有するビームは、少なくとも１つのミラーを透過される。そのような波長選択性ミラーは、さらに、ミラーへのビームの入射角に対する波長範囲の依存性を有する。少なくとも２つのミラーの回転位置に応じて、ビームを、少なくとも１つのミラーによって反射することができるか、または少なくとも１つのミラーを透過させることができる。それぞれのミラーの波長範囲は、個々のミラーが妨げ合わないように、または互いに遮らないように調整することができる。これにより、複数のミラーを使用して、走査周波数を高めることができる。使用される設置スペースと、ミラーの回転速度とは、変更しなくてよい。したがって、ＬＩＤＡＲ装置のＮ倍の走査速度（Ｎ＝ミラー面の数）を達成することができる。これは、走査周波数を高めることに加えて、例えばＳＰＡＤ（単一光子アバランシェダイオード）検出器の場合など、パルス検出によってヒストグラム形成を実現することができるデジタル検出器の原理のために特に使用することができる。

ＬＩＤＡＲ装置の有利な一例示的実施形態によれば、少なくとも２つのミラーは、ブラッグミラーである。ブラッグミラーは、それぞれ、特定の角度範囲に関してのみ反射性がある。物体によって散乱または反射されたビームが特定の角度でミラーに当たる場合、ブラッグミラーは、この光を検出器に向けて反射する。反射ビームは、例えば、ミラーの回転軸に垂直に反射される。例えば、反射ビームが別の角度で少なくとも１つのブラッグミラーに当たる場合、反射ビームは、透過されて、反射ビームを検出器に向けて反射することができるようにその時点で「正しい」角度にあるミラー面に当たることができる。ブラッグミラーの波長範囲は比較的限られているため、干渉光の大部分はどのブラッグミラーによっても検出器に向けて反射され得ないので、検出器の上流に接続される追加のフィルタを省略することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、少なくとも２つのミラーは、入射するビームを交互に検出器に向けて反射する。これにより、回転可能なミラーは、規定の回転速度で一方向に回転させることができる。したがって、ミラーの回転運動を逆向きにする必要はない。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、各ミラーは、回転軸の周りにアクティブな角度範囲を有する。アクティブな角度範囲内では、入射するビームを検出器に向けて反射可能である。ビームの入射角に対するミラーの波長範囲の依存性に基づいて、規定の入射角でのまたは規定の入射角範囲での特定の波長を有するビームのみを、第１のステップでミラーによって反射することができ、第２のステップで、ビームが検出器に当たるような角度で反射することができる。これにより、特定の波長を有するビームを検出器に向けて偏向または反射することができるミラーの角度範囲が生じる。したがって、ミラーにフィルタ機能を割り当てることができ、干渉光を低減または遮断することが可能である。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、各ミラーは、アクティブな角度範囲外の入射ビームを少なくとも１つのさらなるミラーに透過する。ミラーの回転軸に垂直に検出器が位置合わせされる場合、ミラーが複数あるとき、ミラーが部分的に重なり合い、したがってビームの一部を検出器に向けて反射することができないミラーの回転角が常にある。それぞれのミラーのアクティブな角度範囲外の角度を有するビームが、本発明によるミラーに当たる場合、ビームはミラーによって透過される。これにより、複数のミラーが互いに遮蔽し得ない。ビームが検出器にも当たることができるときにのみ、ビームが反射される。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、少なくとも１つのビーム源が、回転軸に垂直に位置合わせされており、少なくとも１つの生成されたビームは、少なくとも２つのミラーを介して、走査領域を走査するために偏向可能である。したがって、物体で反射されたビームを検出器に向けて偏向させるだけでなく、少なくとも１つのビーム源によって生成されたビームを、ＬＩＤＡＲ装置によって走査領域に放射することもできる。したがって、ＬＩＤＡＲ装置は、同時に生成されたビームも送出することができ、反射されたビーム、または散乱してＬＩＤＡＲ装置に戻るビームを受け取ることもできる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、少なくとも２つのミラーは、それぞれ１つの波長範囲に対して両側反射性を有する。特に、ブラッグミラーとして実施された回転可能なミラーは、両側で使用することができる。これにより、ＬＩＤＡＲ装置の走査周波数を２倍にすることができる。ミラーの両側反射性は、例えばコーティングの形で実施することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらに好ましい一例示的実施形態によれば、異なる波長を有する少なくとも２つのビームを生成するために、少なくとも２つのビーム源を使用することができる。例えば、互いに並べて配置された２つのミラーのためのアクティブな角度範囲は重複するか、またはさらには同一である場合があるので、異なる波長を有するビームを生成することができる複数のビーム源を使用することが有利である。したがって、交互に、異なるアクティブな角度範囲および／または波長範囲を有するミラーを回転可能に配置することができる。それぞれのミラーは、ミラーに適合したビームを走査領域の方向に反射することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、少なくとも２つのビーム源によって少なくとも２つのビームを連続的に生成可能である。したがって、使用される回転可能なミラーに適合された異なる波長を有するビームが交互に順次生成される。交互パルスシーケンスにより、使用されるミラーのそれぞれの反射領域を最適に利用することができる。生成されたビームが物体から反射されてＬＩＤＡＲ装置に戻った限り、これらの反射ビームを、検出器によって記録して、交互の波長によって技術的により簡単に評価することができる。これにより、ミラーの反射に適したそれぞれの波長範囲も、検出器データの評価中に明確に区別することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一例示的実施形態によれば、検出器は、少なくとも２つのミラーの波長範囲に少なくとも対応するスペクトル検出範囲を有する。ミラーの反射領域または波長範囲を完全に分離するために、必要なスペクトル検出領域は、使用されるミラー面または関連する波長の数と共に増加することがある。これにより、検出器がそれに向けられたすべてのビームを完全に記録することができることを保証することができる。

本発明のさらなる一態様によれば、本発明の前述の態様によるＬＩＤＡＲ装置によって立体角を走査するための方法が提供される。第１のステップで、少なくとも１つのビームが生成される。少なくとも１つのビームは、立体角を走査するために使用される。物体で反射された少なくとも１つのビームは、回転軸の周りで回転可能な少なくとも２つのミラーによって検出器に向けられ、少なくとも２つのミラーの回転位置に応じて、反射されたビームは、第１のミラーを通って、少なくとも１つの第２のミラーに透過され、少なくとも１つの第２のミラーによって検出器に向けて反射されるか、または反射されたビームは、第１のミラーによって検出器に向けて反射される。

物体が走査領域に位置決めされている限り、生成されたビーム、および走査領域内に送出された生成されたビームを、物体で反射することができる。ここで、回転するミラーは、反射されたビームを受け取り、検出器に向けて偏向することができる。ミラーは、好ましくは、波長選択反射性および／または入射角選択反射性を有することができる。したがって、例えば、ビームが特定の波長を有し、規定の入射角でミラーに当たるときにのみ、ミラーでこれらのビームを反射することができる。ここで、反射性は、入射角および／または波長の範囲内で存在し得る。例えば、入射ビームが、それぞれのミラーの仕様外の光学特性を有するとき、このビームは反射されない。これにより、例えば、反射されたビームが検出器に入射できないか、または干渉反射が検出器に向けられることを防ぐことができる。したがって、回転ミラーをフィルタの代わりに使用することができる。第１のミラーによって反射されない反射ビームは、好ましくは、妨げられずに、第１のミラーを通って、反射ビームのビーム経路内に配置されたさらなるミラーに透過することができる。好適には、さらなるミラーは、透過されたビームが検出器に偏向することができるように、検出器に対して位置合わせされている。これにより、特に、ミラーが互いに遮蔽または妨害し得るのを妨げることができる。また、走査周波数を高めるためにより多数の回転可能なミラーを用いる際、制限なく走査領域を照射することができる。この処置により、そのようなＬＩＤＡＲ装置の寸法は、複数のミラーを使用しても一定に保つことができる。

以下、非常に簡略化した概略図に基づいて、本発明の好ましい例示的実施形態をより詳細に述べる。

第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第２の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第３の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の回転可能なミラーの概略図である。 第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の回転可能なミラーの概略図である。 図５ａは、波長に応じた回転可能なミラーの反射率の概略グラフである。図５ｂは、波長に応じた回転可能なミラーの反射率の概略グラフである。

図中、同じ構造要素は、それぞれ同じ参照符号を付されている。

図１に、第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。ＬＩＤＡＲ装置１は、赤外線レーザ２として構成されたビーム源２を備える。ビーム源２は、パルスビーム３を生成し、パルスビーム３は、偏向ユニット４の回転軸Ｒの方向に垂直に放出される。

偏向ユニット４は、例示的実施形態によれば、４つのブラッグミラー６、７からなり、ブラッグミラー６、７は、回転軸Ｒの領域内で駆動シャフト８に間接的に回転対称に互いに接続されている。ミラー６、７は、例えば、それぞれ、交互に異なる屈折率を有する複数のλ／２範囲からなる両側コーティングを有することができる。ここで、λは、それぞれの生成されたビーム３の波長に対応する。ブラッグミラー６、７のコーティングから、入射ビーム３は、特定の入射角αで、かつ特定の波長λでのみブラッグミラー７で反射され得て、反射されたビーム５は、強め合う干渉によって生じ、ＬＩＤＡＲ装置１のハウジング１０から、走査領域Ａの方向に放出させることができる。入射角αまたはビーム３の波長λがコーティングまたはブラッグミラー６の波長範囲から外れている場合、ビーム３用のミラー６は入射ビーム３に対して透明である。したがって、ビーム３は、ビーム３に対して透明なミラー６の下流に接続されたミラー７に当たり、このミラー７で、走査領域Ａの方向に反射され得る。偏向ユニット４は、回転軸Ｒの周りで規定の回転速度で回転する。これにより、ＬＩＤＡＲ装置１は、反射ビーム５によって、走査領域Ａを照射または走査することができる。

逆に、偏向ユニット４は、生成されたビーム３をＬＩＤＡＲ装置１から送出するだけでなく、入射ビーム１３を受け取り、受け取ったビーム１５を検出器１２に向けることもできる。ここで、入射ビーム１３、または物体１４で反射されたビーム１３は、ＬＩＤＡＲ装置１から放出されるビーム５の反射または散乱光として生じる。ミラー６、７の両側コーティングにより、反射ビーム１３は、ミラー６、７から、偏向ユニット４またはそれぞれのミラー６、７の回転位置に応じて、ミラー６、７を通って透過させるか、または検出器１２に反射させることができる。ここで、望ましくない散乱光は、ミラー６、７での反射に関する基準を満たさないので、ミラー６、７は、フィルタとして機能することができる。

偏向ユニット４の方向に入射するビーム３、１３は、ここでも、反射に関する基準が満たされるまで、複数のミラー６、７を順次に透過することができる。したがって、回転速度を変えずに、走査領域Ａのより高い走査周波数を可能にするために、ミラー６、７の数を増やすことができる。

図２に、第２の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１の概略図が示されている。第１の例示的実施形態とは対照的に、ＬＩＤＡＲ装置１は、２つのビーム源２を有し、それらのビーム源２は、交互に順次ビーム３を生成し、偏向ユニット４の方向に放出する。これにより、異なるコーティングが施されたミラー６、７に、それぞれミラー６、７に適合された波長λを有するビーム３を照射することができる。したがってまた、偏向ユニット４の回転角βに応じて、両側にコーティングされたミラー６、７は、適切な波長λを有するビーム３によって透過され得る。これにより、偏向ユニット４の回転角度βに応じて、異なるビーム源２を制御し得て、ビーム５で走査領域Ａを照射することができる。

図３に、第３の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１の回転可能なミラー６、７の概略図を示す。ここで、偏向ユニット４の使用されるミラー６、７は、片側波長選択反射性を有する。

図４に、第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１の回転可能なミラー６、７の概略図を示す。明らかなように、生成されたビーム３は、同時に複数のミラー７を照射することもでき、したがって例えば、走査領域Ａの方向に反射される複数のビーム５を同時に、またはラインの形でのビーム５を放出することができる。反射のための前提条件が満たされていないので、生成されたビーム３および反射されたビーム５のビーム経路内に位置決めされたミラー６は、損失なく透過される。

図５ａおよび図５ｂに、それぞれの回転可能なミラー６、７の反射率を、波長λに依存して百分率として表した概略グラフを示す。これらは、例えば、第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１のミラー６、７であってよい。特に、ミラー６、７へのビーム３の入射角αが異なる場合における波長範囲のシフトが明らかである。わかりやすくするために、０°と９０°の入射角αのみが示されている。

Claims (11)

1. 少なくとも１つのビーム（５）によって走査領域（Ａ）を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、前記少なくとも１つのビーム（３、５）を生成するための少なくとも１つのビーム源（２）と、物体（１４）で反射されたビーム（１３）を、回転軸（Ｒ）に垂直に位置合わせされた検出器（１２）に偏向するための、前記回転軸（Ｒ）の周りで回転可能な少なくとも２つのミラー（６、７）とを備える、ＬＩＤＡＲ装置（１）において、
   前記少なくとも２つのミラー（６、７）が、それぞれ１つの波長範囲に関して反射性を有し、前記回転軸（Ｒ、８）の領域内で、ある角度で互いに接続可能であることを特徴とする、ＬＩＤＡＲ装置（１）。
2. 前記少なくとも２つのミラー（６、７）が、ブラッグミラー（６、７）である、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 前記少なくとも２つのミラー（６、７）に入射するビーム（１３）が、交互に前記検出器（１２）に反射される、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 各ミラー（６、７）が、前記回転軸（Ｒ）の周りにアクティブな角度範囲を有し、前記アクティブな角度範囲内に入射するビーム（１３）が前記検出器（１２）に反射可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 各ミラー（６、７）が、前記アクティブな角度範囲外で入射するビーム（１３）を少なくとも１つのさらなるミラー（６、７）に透過する、請求項４に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 前記少なくとも１つのビーム源（２）が、前記回転軸（Ｒ）に垂直に位置合わせされており、前記少なくとも１つの生成されたビーム（３）が、前記少なくとも２つのミラー（６、７）を介して、前記走査領域（Ａ）を走査するために偏向可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
7. 前記少なくとも２つのミラー（６、７）が、それぞれ１つの波長範囲に関して両側反射性を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
8. 少なくとも２つのビーム源（２）が、異なる波長（λ）を有する少なくとも２つのビーム（３）を生成するために使用可能である、請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 前記少なくとも２つのビーム（３）が、前記少なくとも２つのビーム源（２）によって連続的に生成可能である、請求項８に記載のＬＩＤＡＲ装置。
10. 前記検出器（１２）が、前記少なくとも２つのミラー（６、７）の前記波長範囲に少なくとも対応するスペクトル検出範囲を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置（１）を用いて走査領域（Ａ）を走査するための方法であって、少なくとも１つのビーム（３）が生成され、前記少なくとも１つのビーム（５）によって走査領域（Ａ）が走査され、物体（１４）で反射された少なくとも１つのビーム（１３）が、少なくとも２つの、回転軸（Ｒ）の周りで回転可能なミラー（６、７）によって検出器（１２）に向けられる、方法において、
    前記少なくとも２つのミラー（６、７）の回転位置に応じて反射されるビーム（１３）が、
    − 第１のミラー（６）によって少なくとも１つの第２のミラー（７）に透過され、前記少なくとも１つの第２のミラー（７）によって前記検出器（１２）に反射されるか、または
    − 前記第１のミラー（６）によって前記検出器（１２）に反射される
    ことを特徴とする、方法。
    

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