JP2020526764A

JP2020526764A - 立体角を状況に応じて走査するためのｌｉｄａｒ装置

Info

Publication number: JP2020526764A
Application number: JP2020501209A
Authority: JP
Inventors: フレデリクセン，アネット; ビュットナー，アクセル
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2020-08-31
Also published as: KR20200026919A; EP3652561A1; WO2019011525A1; DE102017211817A1; CN111051920A; EP3652561B1; US20200408883A1

Abstract

開示されているのは、少なくとも１つの光線で立体角を走査するためのＬＩＤＡＲ装置であって、少なくとも１つの光線を生成するための、水平回転可能に配置された少なくとも１つの放射源と、少なくとも１つの生成された光線を成形するための少なくとも１つの生成光学系と、物体で反射した少なくとも１つの光線（７）を受信し、少なくとも１つの反射した光線を検出器に偏向するための、水平回転可能な受信光学系と、を備えたＬＩＤＡＲ装置において、少なくとも１つの生成された光線は可変的に成形可能である、ＬＩＤＡＲ装置である。

Description

本発明は、少なくとも１つの光線で立体角を走査するためのＬＩＤＡＲ（ｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇ）装置であって、少なくとも１つの光線を生成するための、水平回転可能に配置された少なくとも１つの放射源と、少なくとも１つの生成された光線を成形するための少なくとも１つの生成光学系と、物体で反射した少なくとも１つの光線を受信し、少なくとも１つの反射した光線を検出器に偏向するための、水平回転可能な受信光学系と、を備えたＬＩＤＡＲ装置に関する。

一般的なＬＩＤＡＲ装置は、様々な概念に基づいている。
一方では、いわゆるマイクロスキャナを、他方ではマクロスキャナを使用できる。マクロスキャナの場合、送信ユニットおよび受信ユニットはロータ上に配置でき、共に回転軸を中心に回転または旋回できる。これにより、例えば、３６０°の水平走査角を露光および走査できる。

印刷物ＤＥ１０２００６０４９９３５Ａ１から、例えば、ＬＩＤＡＲ装置または走査領域を走査するために集束された個別光線を利用し、信号処理の範囲で反射した光線を査定および評価するマクロスキャナが知られている。

このようなＬＩＤＡＲ装置は、通常、垂直解像度が制限され、垂直走査角が比較的小さく、これらは状況に応じて変更できない。

本発明の基礎となる課題は、状況に応じて立体角の露光を適合できるＬＩＤＡＲ装置を作成することに認められ得る。
この課題は、独立請求項のそれぞれの主題により解決される。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つの光線で立体角を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つの光線を生成するための、水平回転可能に配置された少なくとも１つの放射源を有する。生成光学系は、少なくとも１つの生成された光線を成形するために機能する。生成光学系は、例えば、レンズ、回折光学素子、ホログラフィック光学素子などの複数の光学素子から構成することができる。さらに、ＬＩＤＡＲ装置は、物体で反射された少なくとも１つの光線を受信し、検出器に向ける水平回転可能な受信光学系を有する。

放射源は、生成光学系または生成光学系の一部とともに送信ユニットを形成できる。放射源は、例えば、赤外線半導体レーザ、レーザバーなどとすることができる。したがって、放射源は、電磁光線を連続的にまたはパルス形式で生成できる。

受信ユニットは、受信光学系および検出器から構成されている。検出器は、例えば、検出器ピクセルに細分されている列検出器とすることができる。検出器は、単一光子アバランシェダイオード検出器（英語：ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ、すなわちＳＰＡＤ）とすることができる。ＳＰＡＤ検出器は感度が高いため、時間相関単一光子計数法（ｔｉｍｅ−ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ、ＴＣＳＰＣ）を使用して、有用光が少ない場合の高解像度を可能にする。これにより、ＬＩＤＡＲ装置の垂直解像度を検出器側で改善できる。

送信ユニットおよび受信ユニットは、互いに同期して水平回転でき、したがって、水平走査角を露光および検出できる。送信ユニットおよび受信ユニットは、時間的に並列と直列の両方で動作できる。例えば、送信ユニットおよび受信ユニットは、互いに隣接して回転可能に配置するか、回転軸に沿って軸方向に互いに上下に配置することができる。

送信ユニットは、垂直走査角を定義および露光する、垂直に互いに重なって延びる１つまたは複数の光線を生成し得る。ＬＩＤＡＲ装置の垂直解像度は、引き続き列検出器によって実現できる。

生成光学系は、少なくとも１つの生成された光線を成形するために機能し、少なくとも１つの生成された光線を適合または変更できる少なくとも１つの可変レンズを有する。このように可変な生成光学系によって、例えば焦点および／または偏向方向が送信側で変更できる。生成光学系は、放射源とともに一体で回転可能にも、部分的に回転可能に、また部分的に静止しても配置することができる。したがって、ＬＩＤＡＲ装置を特定の環境、速度、方向などに最適に適合できるように、放射源によって生成される光線に影響を与え、これを変更可能に成形することができる。このようなＬＩＤＡＲ装置では、例えば、状況に応じて垂直解像度および／または到達範囲を変更できる。例えば、垂直方向の走査角は、より強力な焦点合わせによって減少でき、走査領域の到達範囲を拡大できる。他方で、垂直走査角は同時により短い到達範囲で拡大することができるか、または垂直走査角は軸方向にシフトもしくは変位できる。したがって、例えば車両では、検出器によるより低い解像度とより大きな垂直走査角で、ＬＩＤＡＲ装置によって側面領域を走査できる。検出器では、これに加えて、例えば、２つおき、または３つおきの検出器ピクセルを評価に利用できる。これに対し、進行方向では、小さい垂直走査角における長い到達範囲が有用であり、実行可能であり得る。ＬＩＤＡＲ装置の露光は、状況に応じて変化し得る。例えば、露光は、上り坂、下り坂、街道、高速道路、市街での走行などに適合できる。生成光学系は、複数の変更可能および変更不可能なレンズおよび／または光学素子から構成してもよい。

さらに、ＬＩＤＡＲ装置は、例えば、近接環境の広範囲をカバーするためのより大きな垂直走査角など、異なる露光状態間での切り替えを可能にできるため、複雑な環境での位置特定に利用できる。例えば、可変レンズまたは適応光学系として、電気活性ポリマに基づく可変レンズを使用できる。

ＬＩＤＡＲ装置の一実施例によれば、放射源は個別エミッタを有し、垂直方向に互いに角度変位された、または位置変位された少なくとも２つの光線を生成する。放射源は、例えば、多数の個別エミッタを備えたレーザバーであり得る。したがって、各エミッタは、少なくとも１つの電磁光線を生成できる。あるいは、例えば、複数の半導体レーザを互いに隣接して配置することができる。特に、エミッタが列状に配置されている場合、放射源は、走査領域のピクセル単位もしくは点状、または線状の垂直照明を実現できる。したがって、垂直走査角は、生成された光線によって一部または完全に露光され得る。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つの光線は、半径方向に可変的に集束できる。生成光学系の可変レンズは、その焦点距離を変更することができ、ひいては少なくとも１つの生成された光線を焦点平面に、例えば点状に集束できる。ＬＩＤＡＲ装置からの焦点平面の半径方向の距離は、可変レンズによって影響され、調整され得る。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つの光線は軸方向に可変的に集束され得る。可変レンズは、特にその形状を変更することができる。これにより、少なくとも１つの生成された光線は、軸方向に偏向または変位することができる。こうして例えば、より高くまたはより低く延びる垂直走査角を実現できる。これにより、例えば、上り坂を走行する際のＬＩＤＡＲ装置の自動車用途では、垂直走査範囲の高さおよび位置を能動的に変更することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つの光線は、時間に応じて可変的に成形することができる。少なくとも１つの生成された光線は、例えば、生成された光線が送信ユニットの２周りごとに変更されるか、または定義された２つ以上の露光モード間の切り替えが行われるように、少なくとも１つの可変レンズを用いて送信側で変更することができる。代替的または追加的に、生成された光線は、送信ユニットの１周り内で適合することもできる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つの光線は、放射源の回転位置に応じて可変的に成形することができる。これにより、少なくとも１つの生成された光線は、送信ユニットの１周りまたは１回転内で少なくとも１回適合または変化させることができる。こうして例えば、車両の屋根上に配置されたＬＩＤＡＲ装置は、走行中の車両前面方向の回転位置において、生成された光線をＬＩＤＡＲ装置から可能な限り遠く離して焦点合わせすることができ、ひいては露光の最大到達範囲を可能にすることができる。車両の側面では、生成された光線は、ＬＩＤＡＲ装置の比較的短い到達範囲で可能な限り大きな垂直走査角を有することができる。駐車プロセスの間、生成された光線は、送信ユニットの回転全体に沿って短い到達距離に制限され得る。こうして３６０°の水平走査角は、複数の角度部分に細分できる。したがって、それぞれの角度部分内では、少なくとも１つの生成された光線は一定であるか、または変化もしくは変更することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、放射源は、時間に応じて、角度変位した、または位置変位した、少なくとも１つの光線を生成する。さらなる評価のために限られた数の検出器ピクセルを使用することによって、検出器による解像度の制御に対して代替的または追加的に、放射源によって露光を適合できる。例えば、放射源の全てのエミッタまたは全てのエミッタの規定部分のみをアクティブ化できる。あるいは、放射源の２番目または３番目ごとのエミッタをアクティブ化することもできる。最大限必要な到達範囲で使用される場合、全てのエミッタをアクティブ化することができる。最大距離をあまり要求せずに使用される場合、アクティブなエミッタを減らすことで露光強度を減少させることができる。これにより、例えば、物体が露光している場合、検出器が近傍で飽和または露光過剰になるのを防ぐことができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、放射源は、放射源の回転位置に応じて、角度変位した、または位置変位した、少なくとも１つの光線を生成する。放射源のエミッタをオンまたはオフにすることによる光線量の適合は、時間に応じて、または放射源または送信ユニットの回転位置に基づいて実現できる。これにより、水平走査角は、異なる機能を持つ複数の角度範囲に細分できる。これにより、例えば、自動運転のための環境検知の様々な機能に必要となり得る、車両近辺の環境のより包括的な測定が可能になる。これにより、例えば、道路境界の検知を最適化、または走行可能エリアをより良好に推定できる。このように、ＬＩＤＡＲ装置は立体角に関するより多くの情報を取得するために、異なるように成形された光線で未検知または誤って検知された特定の周辺領域を複数回走査できるため、複雑な環境でもＬＩＤＡＲ装置の位置決定が可能とされ得る。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、生成光学系は少なくとも１つの受動光学素子を有する。不変レンズに加えて、生成光学系は、回転不能に配置されている光学素子を有することができる。これらの光学素子は、他のレンズ、フィルタ、例えば体積ホログラフィック光学素子などの回折光学素子などであってよい。光学素子は、例えば、ＬＩＤＡＲ装置のハウジングに配置することができる。したがって、全体または一部の水平走査範囲および／または垂直走査角内で、少なくとも１つの光学素子が、生成された光線の光線経路に配置されており、それによって、少なくとも１つの生成された光線が被走査立体角に放射される前に、少なくとも１つの生成された光線を成形できる。そのような受動光学素子は、生成光学系の一部であり、例えば、送信ユニットの周囲側に静止して配置されているフィルムの形態で実施することができる。これにより、被走査立体角の異なる領域を適正に露光し、走査することができる。ここで、アクティブ制御は不要であり得るため、このようなＬＩＤＡＲ装置を技術的に簡素化できる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、少なくとも１つの光線は、放射源の回転位置に応じて、少なくとも１つの受動光学素子によって成形可能である。この場合、送信ユニットは、好ましくは、軸方向で受信ユニットとは異なる平面上に配置され得る。したがって、送信ユニットは、その水平回転に沿って少なくとも１つの受動光学素子によって、少なくとも１つの生成された光線を少なくとも部分的に誘導することができる。受動光学素子は、連続的に、または特定の回転位置内にのみ配置できる。受動光学素子は、例えば、ＬＩＤＡＲ装置の放射窓の内側に積層または接着することができる。受動光学素子は、空間的に互いに分離するか、または継ぎ目なく、もしくは徐々に互いの中に移行することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる有利な一実施例によれば、少なくとも１つの受動光学素子は、ホログラフィック光学素子である。受動光学素子は、有利にはホログラフィック光学素子として実施されている。特に、ホログラフィック光学素子は体積ホログラムであり得る。従来の光学系とは対照的に、体積ホログラムとして実現されるホログラフィック光学素子の場合、光線の偏向は屈折ではなく、体積格子での回折によって設定される。ホログラフィック光学素子は、透過、および反射の両方において製造でき、入射角および出射角または回折角の自由な選択を可能にする。ホログラフィック光学素子を生成するために、ホログラフィック材料を支持フィルムに被着し、続いて記録プロセスで露光することができ、それによって光学機能が材料に導入される。この露光方法は、例えばピクセルごとに同様に印刷できる。体積ホログラムでの体積回折により、ホログラフィック光学素子は追加的に、特徴的な波長および角度の選択性、またはフィルタ機能も有する。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる一実施例によれば、生成光学系は少なくとも１つの変更可能な光学系を有する。可変または適応光学系は、特に液体レンズであることができ、生成光学系の一部を表すことができる。このようなレンズは、印加電圧に応じてそれらの焦点距離を変えることができる。この機能は、例えば、電気的湿潤の原理に基づくことができる。液体レンズを用いて、異なる焦点合わせが可能になるだけでなく、垂直方向もしくは軸方向または水平方向の光線偏向または光線変位も可能となる。

本発明の好ましい実施例を、非常に簡略化された概略図に基づいて、以下に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２の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の送信ユニットの概略図である。第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の送信ユニットの概略図である。第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の受動光学素子の概略平面図である。

図において、同一の構造要素にはそれぞれ同一の参照番号が付けられている。
図１は、第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。ＬＩＤＡＲ装置１は放射源２を有する。実施例によれば、放射源２は、例えばレーザ光線３を生成することができる半導体レーザ２とすることができる。続いて、生成された光線３は、生成光学系４によって成形または適合され得る。続いて、成形された光線５は、ＬＩＤＡＲ装置１によって立体角Ａの方向に放射される。生成光学系４は、図示されない電気接続を介して電圧を供給できる液体レンズ４であり、したがって、電圧に応じてその光学特性を変更することができる。放射源２および生成光学系は、共に送信ユニット６を形成する。

物体８が立体角Ａにある場合、成形された光線５は物体８で反射または散乱できる。散乱または反射された光線７は、受信光学系１０によって受信され、検出器１２に向けられ得る。検出器１２は、行に配列されており、ＬＩＤＡＲ装置１の垂直解像度を規定する多数の検出器ピクセルからなる列検出器である。ここで、検出器１２および受信光学系１０は、ＬＩＤＡＲ装置１の受信ユニット１４を形成する。

送信ユニット６および受信ユニット１４は、回転軸Ｒの周りを水平に３６０°回転可能であり、軸方向に互いに上下に配置されている。
図２ａおよび図２ｂには、第２および第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の送信ユニット６の概略図を示す。ここで、放射源２はそれぞれ５つの個別エミッタ１６を備えたレーザバー２としてそれぞれ実施されている。示しているのは、アクティブ化したエミッタ１６の数を減らした放射源２の使用である。実施例によれば、放射源２の５つの個別エミッタ１６のうちの３つがアクティブ化されており、ひいては光線３を生成した。生成された光線３は、液体レンズ４によって変化または適合される。成形された光線５は、共通の焦点平面Ｂを有し、焦点平面Ｂにおいて例えば点状に実施されている。生成されたそれぞれの光線３は、生成光学系４によって結合されて、焦点平面Ｂにおいて線状の光線となることもできる。生成光学系４または生成光学系の少なくとも１つの液体レンズ４は、印加電圧に応じて生成された光線３を異なる強さで集束することができ、それにより、成形された光線５の焦点平面Ｂをシフトできる。代替的または追加的に、成形された光線５は、さらなる印加電圧に応じて垂直方向もしくは軸方向または水平方向に偏向することができ、ひいては焦点平面Ｂ内のそれらの焦点を局所的に変位することができる。破線の光線経路は、生成された光線３に対する液体レンズ４の効果を明確に示す。

図３ａは、第４の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１とは異なり、ＬＩＤＡＲ装置１は、ここでは受動光学素子１８を備えた生成光学系４を有する。ここで、生成光学系４は、可変レンズ４および不変レンズの両方を有することができる。ここで、受動光学素子１８は、フィルムとして実施された体積ホログラム１８である。フィルムは、回転可能な送信ユニット６を中心に、周囲側に静止して配置されている。したがって、回転軸Ｒの周りの送信ユニット６の回転中、フィルムの全ての領域が連続して露光される。フィルムの異なる領域は、異なるまたは同じ光学機能を有する異なる体積ホログラム１８からなる。図３ｂは、そのようなフィルムの広げられた状態を示す。フィルムの異なる長方形の体積ホログラム１８を用いた、０°から３６０°の角度範囲が示されている。したがって、生成された光線３は、レンズ４による成形後、送信ユニット６の水平回転位置に応じて、それぞれの体積ホログラム１８によって追加的に成形またはフィルタリングされる。

Claims

少なくとも１つの光線（５）で立体角（Ａ）を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、少なくとも１つの光線（３）を生成するための、水平回転可能に配置された少なくとも１つの放射源（２）と、少なくとも１つの生成された前記光線（３）を成形するための少なくとも１つの生成光学系（４）と、物体（８）で反射した少なくとも１つの光線（７）を受信し、少なくとも１つの反射した前記光線（７）を検出器（１２）に偏向するための、水平回転可能な受信光学系（１０）と、を備えたＬＩＤＡＲ装置において、少なくとも１つの生成された前記光線（３）は可変的に成形可能であることを特徴とする、ＬＩＤＡＲ装置。
前記放射源（２）は個別エミッタ（１６）を有し、垂直方向に互いに角度変位された、または位置変位された少なくとも２つの光線（３）を生成する、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの生成された光線（３）は、半径方向に可変的に集束できる、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの生成された光線（３）は、軸方向に可変的に集束できる、請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの生成された光線（３）は、時間に応じて可変的に成形することができる、請求項１から４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの生成された光線（３）は、前記放射源（２）の回転位置に応じて可変的に成形することができる、請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記放射源（２、１６）は、時間に応じて、角度変位した、または位置変位した、少なくとも１つの光線（３）を生成する、請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記放射源（２、１６）は、前記放射源（２）の回転位置に応じて、角度変位した、または位置変位した、少なくとも１つの光線（３）を生成する、請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記生成光学系（４）は少なくとも１つの受動光学素子（１８）を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの生成された光線（３）は、前記放射源（２）の回転位置に応じて、前記少なくとも１つの受動光学素子（１８）によって成形可能である、請求項９に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記少なくとも１つの受動光学素子（１８）は、ホログラフィック光学素子（１８）である、請求項９または１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
前記生成光学系（４）は、少なくとも１つの変更可能な光学系（４）を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。