JP2022514751A - 光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイス - Google Patents

光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、光飛行時間測定のための光源２、２１を動作させるデバイス１、２０であって、パルス信号列に従って光パルスを放射するように構成された光源２、２１と、光源２、２１の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて光源２、２１によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路３、２２とを備えるデバイス１、２０に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、概略として、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスに関する。
いわゆる飛行時間（タイムオブフライト）の原理に基づき得る光飛行時間測定の種々の方法が周知となっており、その場合、飛行時間に基づいて物体までの距離を特定するために、放射されて物体によって反射される光信号の飛行時間が測定される。
いわゆるＬＩＤＡＲ原理（光検出及び測距）に基づくセンサが、特に自動車分野において使用され、その場合、周囲領域を走査するためにパルスが周期的に放射され、反射パルスが検出される。対応する方法及びデバイスが、例えば、国際公開第２０１７／０８１２９４号から知られている。
光学的距離測定に対する解決手段が従来技術から知られているとしても、本発明の課題は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスを提供することである。
請求項１によるデバイスが、この課題を解決する。
第１の態様によると、本発明は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスであって、
パルス信号周波数に従って光パルスを放射するように構成された光源と、
光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて光源によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路と
を備えるデバイスを提供する。
本発明のさらなる有利な設計は、従属請求項、図面、および本発明の好ましい例示的実施形態の以下の説明から導かれる。
上述したように、一部の例示的実施形態は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスであって、
パルス信号周波数に従って光パルスを放射するように構成された光源と、
光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて光源によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路と
を備えるデバイスに関する。
デバイスは、一般にＬＩＤＡＲシステムなどにおいて使用可能であり、例えば、自動車分野において使用可能である。ただし、本発明は、これらの場合に限定されない。したがって、一部の例示的実施形態の場合では、デバイスはまた、光源によって放射されて物体によって反射された光パルスを検出するために、例えば、ＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）技術、ＣＰＡＤ（電流アシスト型フォトダイオード）技術、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）技術などに基づいて対応する検出器又はセンサを備える。したがって、デバイスは、さらに、放射された光パルスの飛行時間を決定し、それに基づいて、例えば、デバイスと物体の間の距離、物体の三次元画像などを特定するように構成され得る。
光源は、１又は複数のレーザー要素、例えば、レーザーダイオード、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）などを備えていてもよく、又はＬＥＤ（発光ダイオード）技術などに基づいていてもよい。
一部の例示的実施形態の場合、光源は、一部の光源、特にレーザーにも要求され得るように、目に安全（「アイセーフ」）でなければならない。目の安全は、例えば、放射平均出力は、ミリ秒又は１０秒などの様々な時間スケールの場合における所定値を超えてはならないことを要件とし得る。
したがって、モニタリング回路は光源から放射される光出力をモニタリングし、放射される光出力が閾値を超えると、その場合には、例えば、目の安全が確保されなくなるので、光源は、一部の例示的実施形態の場合には、例えば、作動停止され又はそもそも作動されない。
光源が光パルスを放射することに起因して、一部の例示的実施形態の場合、放射光出力をモニタリングするために、放射光エネルギーをそれぞれ統合又は加算することが必要となる。
したがって、一部の例示的実施形態の場合、光源のオン時間だけでなく、光源が動作のために必要とする電流又は電圧をそれぞれモニタリングすることが必要となる。
一部の例示的実施形態の場合、光源（例えば、レーザーダイオード）がパルス列に基づいて動作する電流パルスは、本発明をそれに限定することなく、２～１０ナノ秒の範囲の長さを有する。したがって、電流信号をデジタル化するために、従来のアナログ－デジタルコンバータ又はトランスデューサは１ＧＨｚ～５ＧＨｚの範囲にあることが必要となることも認識されていたが、そのようなコンバータは通常は高価であり（例えば、５００ミリワット、すなわち、０．５ワットより高い）高出力を必要とするので、一部の例示的実施形態の場合、以下でもさらに説明するように他の手段が用いられる。
一部の例示的実施形態の場合、距離の特定は、いわゆるＴＣＳＰＣ（時間相関単一光子計数）測定原理に基づき、特に、例示的実施形態の場合、それはＬＩＤＡＲに基づく。
一部の例示的実施形態の場合、光源は、本発明をこの具体例に限定することなく、例えば、３００メートルの範囲において２マイクロ秒毎の高周波の場合、光パルスを周期的に放射することができる。
デバイスはパルス信号を生成する（開始）パルス生成器を備えていてもよく、パルス信号は測定のための開始パルス及びパルス信号列の生成のための基礎部分を兼ねていてもよい。
上述したように、光パルスは測定のための５～２０ナノ秒の長さを有し得るものであり、一部の例示的実施形態では、パルス列はビット列、例えば、１６ビットの疑似ランダムビット列を表し、そのため、例えば、５ナノ秒の長さのパルス列は１６ビットを表す。例えば、値「１」の各ビットは光源が作動状態であることを意味し、「０」は光源が非作動状態であることを意味する（又はその逆を意味する）。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源の連続オン時間が規定オン時間閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたオン時間モニタを備える。この目的のため、オン時間モニタは、例えば、光源が作動状態にある場合には所定値を有し、光源が作動状態にない場合には値を有さず又は低い値を有する光源の電圧信号を分析することができる。オン時間は、放射光エネルギー又は光出力にそれぞれ比例し得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は（例えば、パルス信号及び電流／電圧信号に基づく）光パルスのデューティファクタが規定デューティファクタ閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたデューティファクタモニタを備える。電流／電圧信号によって、デューティファクタモニタは、例えば、パルストレインの全ての作動光パルスが考慮されるように、パルス列に基づいて生成された光パルスのパルストレインを統合することができる。これは、パルス列の全ビットが特定されることで行われ得るものであり、その場合、光源は作動状態である（例えば、全ビットが値「１」又は「０」である）。デューティファクタ閾値は、例えば、光源が８ビット期間（例えば、８０ｎｓ）以下にわたって作動状態であったことをそれが規定するように、選択され得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源がパルス列外で作動されているか否かをモニタするように構成されるウインドウモニタを備える。例えば、パルス列の後に光源が作動停止されない場合又はパルス列に正しく応答しなくなる場合に、例えば、光源の故障がそれにより特定される。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、例えば、パルス信号に基づいて、パルス信号列を生成するように設定されたパルス列生成器を備える。
デバイスはまた、パルス信号に基づいて、パルスウインドウを生成するパルスウインドウ生成器をさらに備えていてもよく、例えば、パルス信号を受信すると、パルスウインドウの開始が生成され、パルストレインの終了時にパルスウインドウの終了が生成される。パルスウインドウ自体は、例えば、対応する信号によって表され（パルストレインに基づいて）光源の作動時間を表し得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源からの電流信号の時間相関走査のための（並びに対応する走査及びデジタル化された電流信号を出力するための）第１のトランスデューサを備える。
高速時間－デジタルトランスデューサが周知であり、例えば、５００ピコ秒よりも高い時間解像度を有し得る。
それにより、電流信号は、コスト効率が良くかつ高い時間解像度で光源によってデジタル化され得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源からの電圧信号の時間相関走査のための（並びに対応する走査及びデジタル化された電圧信号を出力するための）第２のトランスデューサを備える。
電流信号又は電圧信号のアナログ波形はそれぞれ、一部の例示的実施形態の場合、ＴＣＳＰＣ測定サイクルに対して同期して周期的であるので、それにより順次走査可能である。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、電気エネルギー値を計算し、それに基づいて、光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて（例えば、第１又は第２のトランスデューサによってそれぞれ走査された電流又は電圧信号にそれぞれ基づいて）合計光出力又はパルスエネルギーを計算するように構成されたエネルギー計算器を備える。エネルギー計算器は、例えば、電圧値Ｕに電流値Ｉを乗じることによってエネルギーを容易に計算できる。電流値Ｉは第１のトランスデューサに由来する電流信号の積分によって特定され、電圧値Ｕは（例えば、電流値Ｉとの線形的な関係に基づいて決定され、又は電圧値Ｕと電流値Ｉの間の結合についての一義的な関数である単調増加関数に基づいて決定される）モデルに基づく値又は規定された定数のいずれかであってもよいし、第２のトランスデューサに由来する電圧信号の積分によって特定されてもよい。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、光源の電気エネルギー値及び動作温度値に基づいて、放射光出力を補正するように構成された温度補償器をさらに備える。放射光出力は、概ね温度に相関し得るものであり、例えば、効率は、温度の上昇とともに低下するので、光源を流れる大きな電流が必ずしも高い放射光エネルギーを伴うわけではない。言い換えると、必要な電気エネルギーは、同じ放射光エネルギーに対して必要となる温度の増加に相関して増加し得る。温度補償器は、それが、例えば、現温度に応じて電流及び／又は電圧信号に基づいて起こる光出力を補正すること、又はそれが、例えば、エネルギー計算器によって特定される電気エネルギーの比較対象となる基準値を補正することにおいて上記効果を考慮し得る。
したがって、一部の例示的実施形態の場合、光源は、光源の動作温度値を温度補償器に出力する温度センサを備える。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、光源の電流信号に基づく電圧走査信号を出力する測定用抵抗器（例えば、シャント抵抗器）を備える。測定用抵抗器の電圧走査信号を増幅する差動増幅器が、さらに設けられてもよい。さらに、デバイスは、電圧走査信号を基準値と比較し、それに基づいて、光源の状態信号をモニタリング回路に出力する比較器を備えていてもよい。状態信号は、例えば、光源が作動状態であることをシグナリングする「光源オン」信号であり得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源によって放射された光出力のモニタリングに基づいて光源を作動停止させるように構成されたエラーロジックを備える。
ここに記載するデバイスは、例えば、自動車又は他の装置に同様に一体化又は提供され得るＬＩＤＡＲ測定デバイスなどの飛行時間測定デバイスに一体化され得る。記載するデバイスは、自律運転される乗り物（自動車）においても使用可能である。
上記又はここに説明する方法のステップはそれぞれ、例えば、ここに記載するデバイスによって実行される飛行時間測定のための光源を動作させる（又はＬＩＤＡＲ測定デバイスなどを動作させる）方法の課題でもあり得る。
一部の例示的実施形態は、それらがプロセッサ又はコンピュータで実行されると、ここに記載する方法が実行されることになる命令を受信する（コンピュータ）プログラムにも関する。
一部の例示的実施形態は、それらがプロセッサ又はコンピュータで実行されると、ここに記載するプログラム又は方法がそれぞれ実行されることになるプログラム又は命令をそれぞれ受信するコンピュータ可読媒体にも関する。
したがって、まとめると、目の安全という重要なパラメータのモニタリングが、一部の例示的実施形態の場合に提供される。目の安全に関連するパラメータの違反が検出されると、対応する信号によって光源がオフされ得る。開始パルス信号はまた、光源の（例えば、レーザーの）オン時間をモニタリングするのに使用され得る。一部の例示的実施形態の場合、光源は、オン時間（例えば、７又は５個のナノ秒パルスの「ｔ＿ｏｎ＿ｍａｘ」）を超えるとオフされる。光源は、パルスウインドウ外で作動状態である場合及び／又はパルス列がデューティファクタ閾値を超える場合にオフされてもよい。一部の例示的実施形態の場合、光源の平均及びピーク電流値も、例えば、ヒストグラムを用いることによってＴＤＣ回路に基づいてモニタリングされ、対応する時間ベースの電流値の推移を得るために電流値がヒストグラムに埋め込まれていく。
本発明の例示的実施形態を、例示的に添付図面を参照してここに記載する。
光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスの第１の例示的実施形態を示す図である。 光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスの第２の例示的実施形態を示す図である。
図１は、レーザーダイオード２の目の安全をモニタリングするためのモニタリング回路３を備える、光飛行時間測定のためのレーザーダイオード２を動作させるデバイス１の第１の例示的実施形態の回路図を示す。
デバイス１の開始パルス生成器４は、ＴＣＳＰＣサイクル内でＬＩＤＡＲパルス測定、例えば、個々の測定を開始させるために周期的なトリガ信号を出力する。
周期的トリガ信号又はパルス信号はパルス列生成器５によって受信され、パルス列生成器５は、それに応じて、周期的パルス信号を、例えば、「０」及び「１」の１６ビット列であり得るパルス列に変換することでパルス列を生成する。「１」はレーザー（レーザーダイオード）２のオン又は作動をもたらすので、レーザー２はパルス列による光パルスを放射する。パルス列は、１０ｎｓビット周期でシリアル化される。本例示的実施形態では、光信号のパルストレインの長さは１６０ｎｓである。
パルストレインは、一般に、「１」に対して特定の境界条件付きで「１」及び「０」の任意の組合せを有し、「１」はレーザー２のオン時間を特定するので、パルス周波数とともに「１」の合計数が平均レーザー出力を規定する。他の例示的実施形態の場合、パルストレインはまた、単一の光パルスしか有さないこともある。
パルス列生成器５はパルス列をレーザードライバ６に出力し、レーザードライバ６はパルス列を、レーザーダイオード２を動作させるための高電流信号に変換する。
レーザードライバ６は、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓが印加されるレーザースイッチ７に接続され、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓはレーザースイッチ７がオンされるとレーザードライバ６に供給される。
レーザースイッチ７は、例えば、レーザードライバ６が故障し、不良である場合又は短絡状態が生じた場合にレーザーダイオード２をオフすることができる。短絡状態は、レーザーダイオード２が永久的に光（パルス）を放射させてしまい、目の安全に関して重大なこととなり、さらに、レーザードライバ６に加えてレーザースイッチ７もレーザーダイオードをオフしてしまうので、冗長な制御パスとなる。レーザースイッチ７は、以下でもより詳細に記載するように、モニタリング回路３から対応のオフ信号をさらに受信し得る。
レーザーダイオード２を流れる電流は、レーザーダイオード２に接続されたシャント抵抗器８を介した電圧降下によって測定される。走査された電圧が差動増幅器９に供給され、差動増幅器９は小さな走査電圧信号を増幅してそれを比較器１０に出力する。
比較器１０は、増幅された電圧走査信号を基準値と比較し、レーザーダイオードがオン（基準値超の電圧走査信号）であるのか、オフ（基準値未満の電圧走査信号）であるのかを示す対応のレーザー状態信号を出力する。
本例示的実施形態では、比較器１０によって出力された信号はレーザーオン信号であり、この信号の最初の立上りエッジが、飛行時間測定のためのＴＤＣを始動させるのに使用され得る。
開始パルス生成器４はまた、パルス信号をパルスウインドウ生成器１１に供給し、それにより開始パルス生成器４はパルスウインドウ生成器１１をトリガする。パルスウインドウ生成器は、開始パルスが受信されるとすぐに「ハイ」（ウインドウの開始）にセットされ、パルストレインの最大時間、すなわち、例えば、この例示的実施形態ではパルストレインの長さに対応する１６０ｎｓ後に「ロー」（ウインドウの終了）にセットされるウインドウ信号を出力する。
比較器１０のレーザーオン信号は、３個のモニタ、すなわち、オン時間モニタ１２、デューティファクタモニタ１３及びウインドウモニタ１４を有するモニタリング回路３に供給される。
オン時間モニタ１２は、レーザーダイオード２の（中断なしの）連続オン時間が所定のオン時間閾値を超えたか否かを確認する。例えば、レーザーダイオード２は、２つの連続するパルス、すなわち、ここではパルス列の２つの連続する「１」よりも長くは作動されてはならない。したがって、オン時間モニタ１２は、この例示的実施形態ではオン時間又は作動時間がオン時間閾値２２ｎｓ以上である場合にエラー信号をエラーロジック１５に出力する。２２ｎｓは、追加の許容差２ｎｓとともに２つのパルスについてのオン時間２０ｎｓからのものである。
デューティファクタモニタ１３は、パルスウインドウ生成器１１によって供給されるパルストレインウインドウによって規定される期間内にレーザーダイオード２のオン時間を累積又は積分する。この例示的実施形態では、（本発明をこの具体例に限定することなく）パルス列内の８ビット期間（＝８０ｎｓ＝デューティファクタ閾値）を超えてレーザーダイオード２１が作動される場合に、デューティファクタモニタ１３はエラーをエラーロジック１５に出力する。
ウインドウモニタ１４は、パルスウインドウ生成器１１によって供給されるパルス列ウインドウ（ウインドウ信号）外でレーザーダイオード２がそれぞれ動作又は作動されていないことを確認する。それにより、例えば、レーザードライバ６が故障している、不良であるなどの場合、及び例えばパルス列の終了でオフしない場合に、システムの故障が検出され得る。ウインドウモニタ１４は、この場合も同様に、エラー信号をエラーロジック１５に出力する。
エラーロジック１５は、モニタ１２～１４から受信されるエラー信号を組み合わせ、エラーの場合には、対応のオフ信号をレーザースイッチ７に送信し、レーザースイッチ７はオフ信号に応じてレーザーダイオード２をオフする。エラーロジック１５は、さらに、対応のエラー報告を主制御部に送信してもよい。
図２は、レーザーダイオード２１の動作の目の安全をモニタリングするためのモニタリング回路２２を備える光飛行時間測定のためのレーザーダイオード２１を動作させるデバイス２０の第２の例示的実施形態の回路図である。
この例示的実施形態は、ＴＣＳＰ ＬＩＤＡＲ測定原理を参照し、少なくとも２つのパルス又はパルス列がそのまま逐次放射される。
デバイス２０の開始パルス生成器２３は、ＬＩＤＡＲパルス測定、例えば、ＴＣＳＰＣサイクル内の個々の測定を開始するために、トリガ信号を周期的に出力する。
周期的トリガ信号又はパルス信号はパルス列生成器２４によって受信され、パルス列生成器２４は、それに応じて、周期的パルス信号を、例えば、「０」及び「１」の１６ビット列であり得るパルス列に変換することでパルス列を生成する。「１」はレーザー（レーザーダイオード）２１のオン又は作動をもたらすので、レーザー２１はパルス列による光パルスを放射する。パルス列は、１０ｎｓビット周期でシリアル化される。本例示的実施形態では、光信号のパルストレインの長さは１６０ｎｓである。
パルストレインは、一般に、「１」に対して特定の境界条件付きで「１」及び「０」の任意の組合せを有し、「１」はレーザー２１のオン時間を特定するので、パルス周波数とともに「１」の合計数が平均レーザー出力を規定する。
パルス列生成器２４はパルス列をレーザードライバ２５に出力し、レーザードライバ２５はパルス列を、レーザーダイオード２１を動作させるための大きな信号（電流信号）に変換する。
レーザードライバ２５は、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓが印加されるレーザースイッチ２６に接続され、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓはレーザースイッチ２６がオンされるとレーザードライバ２５に供給される。
レーザースイッチ２６は、例えば、レーザードライバ２５が故障し、不良である場合又は短絡状態が生じた場合にレーザーダイオード２１をオフすることができる。短絡状態は、レーザーダイオード２１が永久的に光（パルス）を放射させてしまい、目の安全に関して重大なこととなり、さらに、レーザードライバ２５に加えてレーザースイッチ２６もレーザーダイオード２１をオフしてしまうので、冗長な制御パスとなる。レーザースイッチ２６は、以下でもより詳細に記載するように、モニタリング回路２２から対応のオフ信号をさらに受信し得る。
レーザーダイオード２１を流れる電流は、レーザーダイオード２１に接続されたシャント抵抗器２７を介した電圧降下によって測定される。走査された電圧は差動増幅器２８に供給され、差動増幅器２８は小さな走査電圧信号を増幅してそれを比較器２９に出力する。
比較器２９は、増幅された電圧走査信号を基準値と比較し、レーザーダイオード２１がオン（基準値超の電圧走査信号）であるのか、オフ（基準値未満の電圧走査信号）であるのかを示す対応のレーザー状態信号を出力する。
本例示的実施形態では、比較器２９によって出力された信号はレーザーオン信号であり、この信号の最初の立上りエッジが、飛行時間測定のためのＴＤＣを始動させ、モニタリング回路２２の２つのＴＣＡＤＣ３０及び３１（さらに以下も参照）をも始動させるのに使用され得る。代替例では、開始パルス生成器２３の開始パルスがこの目的のために使用されてもよく、比較器２９の出力信号はわずかに遅延され、ジッタによってレーザードライバ２５による影響を受けない。ＴＣＡＤＣ３０及び３１は、例えば、独国特許出願第１０２０１８２２０６８８．０号に開示されるような態様で設計されてもよく、その内容は参照により完全にここに取り込まれる。
代表的な例示的実施形態では、モニタリング回路は、第１のトランスデューサ３０ともいう第１のＴＣＡＤＣ３０（時間相関アナログ－デジタルコンバータ）を有するとともに、第２のトランスデューサ３１ともいう第２のＴＣＡＤＣ３１を有する。
第１のＴＣＡＤＣ３０は、時間相関的に差動増幅器２８によって供給されるアナログ電流信号を走査し、エネルギー計算器３２に供給される走査された電流信号を、ＴＣＳＰＣサイクル、例えば、１００回のパルス反復の後に、更なる処理のために提供する。
本例示的実施形態では（他の実施形態の場合には省略可能）、第２のＴＣＡＤＣ３１は時間相関的にレーザーダイオード２１の「ハイサイド」のアナログ電圧信号を走査し、第２のＴＣＡＤＣ３１はエネルギー計算器３２に同様に供給される走査される電圧信号を、ＴＣＳＰＣサイクル、例えば、１００回のパルス反復の後に、更なる処理のために提供する。
利用可能となるとすぐに（例えば、１００回のパルス反復の後に）エネルギー計算器３２は、第１のＴＣＡＤＣ３０からのデジタル化された電流信号及び第２のＴＣＡＤＣ３１のデジタル化された電圧信号に基づいて、電圧信号の積分値に電流信号の積分値を乗算することによって、合計パルスエネルギー（レーザーダイオード２１を介して流れた合計電気エネルギーであって放射された光出力に対応する合計電気エネルギー）を計算する。
第２のＴＣＡＤＣ３１が設けられない例示的実施形態の場合、電圧値は一定であると仮定されてもよいし、電流信号における、例えば、線形的な（又は、上記のように単調的な）関係を介して導出されてもよい。
合計パルスエネルギーの値（したがって、ここでは合計電気エネルギー）は比較器３３に供給され、比較器３３は合計パルスエネルギーの値を基準値と比較し、基準値を超える場合には対応のエラー信号をエラーロジック３４に出力し、エラーロジック３４は、エラー信号に応じて、対応のオフ信号をレーザースイッチ２６に出力し、そしてレーザースイッチ２６はレーザーダイオード２１を作動停止させる。エラーロジック３４は、それにより他のエラー信号を受信してもよい。
本例示的実施形態では、温度センサ３５がレーザーダイオード２１に設けられ、温度センサ３５はレーザーダイオード２１の動作温度を特定し、対応の温度信号をモニタリング回路２２の温度補償器３６に供給する。
温度補償器３６は、受信温度信号に基づいてレーザーダイオード２１の温度をモニタリングする。レーザーダイオード２１によって消費される（ＴＣＡＤＣ３０及び３１の走査により、及びエネルギー計算器３２によって計算された）測定電気エネルギーはレーザーダイオード２１の光効率を介して放射光出力に関連付けられ、レーザーダイオード２１の効率又は効率の程度は温度依存性であるので、特にこの例示的実施形態の場合では６０℃以上の温度において、効率は温度の増加とともに減少する。
ただし、放射光エネルギー又は光出力はそれぞれ目の安全に関係しないため、電気エネルギーは、放射光出力が目の安全に関して過大となることなく、レーザーダイオード２１の高い動作温度に応じて増加されてもよい。
温度補償器３６は、そのストレージにおいて、放射光出力と動作温度との間の関係を記憶しているため、そこに記憶された基準値を、比較器３３との通信によって現在の動作温度に基づいて適合させることができるので、（上記のように電気エネルギーに基づく）許容可能なパルスエネルギーについての基準値は、より高い動作温度に応じてそれに従って増加する。
１ 光飛行時間測定のためのレーザーダイオードを動作させるデバイス
２ レーザーダイオード（光源）
３ モニタリング回路
４ 開始パルス生成器
５ パルス列生成器
６ レーザードライバ
７ レーザースイッチ
８ シャント抵抗器（測定用抵抗器）
９ 差動増幅器
１０ 比較器
１１ パルスウインドウ生成器
１２ オン時間モニタ
１３ デューティファクタモニタ
１４ ウインドウモニタ
１５ エラーロジック
２０ 光飛行時間測定のためのレーザーダイオードを動作させるデバイス
２１ レーザーダイオード（光源）
２２ モニタリング回路
２３ 開始パルス生成器
２４ パルス列生成器
２５ レーザードライバ
２６ レーザースイッチ
２７ シャント抵抗器（測定用抵抗器）
２８ 差動増幅器
２９ 比較器
３０ 第１のＴＣＡＤＣ（トランスデューサ）
３１ 第２のＴＣＡＤＣ（トランスデューサ）
３２ エネルギー計算器
３３ 比較器
３４ エラーロジック
３５ 温度センサ
３６ 温度補償器
本発明は、概略として、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスに関する。
いわゆる飛行時間（タイムオブフライト）の原理に基づき得る光飛行時間測定の種々の方法が周知となっており、その場合、飛行時間に基づいて物体までの距離を特定するために、放射されて物体によって反射される光信号の飛行時間が測定される。
いわゆるＬＩＤＡＲ原理（光検出及び測距）に基づくセンサが、特に自動車分野において使用され、その場合、周囲領域を走査するためにパルスが周期的に放射され、反射パルスが検出される。対応する方法及びデバイスが、例えば、特許文献１から知られている。
特許文献２には、光学センサシステムにおける光源を制御する高電圧供給回路が記載されている。特許文献３には、飛行時間センサのための電子回路が記載されている。特許文献４には、物体検出ユニットが開示されている。
国際公開第２０１７／０８１２９４号 米国特許第８４９７４７８号明細書 国際公開第２０１８／０５０８９７号 米国特許出願公開第２００５／０２０１４３５号明細書 独国特許出願第１０２０１８２２０６８８．０号
光学的距離測定に対する解決手段が従来技術から知られているとしても、本発明の課題は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスを提供することである。
請求項１によるデバイスが、この課題を解決する。
第１の態様によると、本発明は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスであって、
パルス信号周波数に従って光パルスを放射するように構成された光源と、
光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて光源によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路と
を備えるデバイスを提供する。
上述したように、一部の例示的実施形態は、光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスであって、
パルス信号周波数に従って光パルスを放射するように構成された光源と、
光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて光源によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路と
を備えるデバイスに関する。
デバイスは、一般にＬＩＤＡＲシステムなどにおいて使用可能であり、例えば、自動車分野において使用可能である。ただし、本発明は、これらの場合に限定されない。したがって、一部の例示的実施形態の場合では、デバイスはまた、光源によって放射されて物体によって反射された光パルスを検出するために、例えば、ＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）技術、ＣＰＡＤ（電流アシスト型フォトダイオード）技術、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）技術などに基づいて対応する検出器又はセンサを備える。したがって、デバイスは、さらに、放射された光パルスの飛行時間を決定し、それに基づいて、例えば、デバイスと物体の間の距離、物体の三次元画像などを特定するように構成され得る。
光源は、１又は複数のレーザー要素、例えば、レーザーダイオード、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）などを備えていてもよく、又はＬＥＤ（発光ダイオード）技術などに基づいていてもよい。
一部の例示的実施形態の場合、光源は、一部の光源、特にレーザーにも要求され得るように、目に安全（「アイセーフ」）でなければならない。目の安全は、例えば、放射平均出力は、ミリ秒又は１０秒などの様々な時間スケールの場合における所定値を超えてはならないことを要件とし得る。
本発明によると、モニタリング回路は光源から放射される光出力をモニタリングし、放射される光出力が閾値を超えると、その場合には、例えば、目の安全が確保されなくなるので、光源は、一部の例示的実施形態の場合には、例えば、作動停止され又はそもそも作動されない。
光源が光パルスを放射することに起因して、一部の例示的実施形態の場合、放射光出力をモニタリングするために、放射光エネルギーをそれぞれ統合又は加算することが必要となる。
したがって、一部の例示的実施形態の場合、光源のオン時間だけでなく、光源が動作のために必要とする電流又は電圧をそれぞれモニタリングすることが必要となる。
一部の例示的実施形態の場合、光源（例えば、レーザーダイオード）がパルス列に基づいて動作する電流パルスは、本発明をそれに限定することなく、２～１０ナノ秒の範囲の長さを有する。したがって、電流信号をデジタル化するために、従来のアナログ－デジタルコンバータ又はトランスデューサは１ＧＨｚ～５ＧＨｚの範囲にあることが必要となることも認識されていたが、そのようなコンバータは通常は高価であり（例えば、５００ミリワット、すなわち、０．５ワットより高い）高出力を必要とするので、一部の例示的実施形態の場合、以下でもさらに説明するように他の手段が用いられる。
一部の例示的実施形態の場合、距離の特定は、いわゆるＴＣＳＰＣ（時間相関単一光子計数）測定原理に基づき、特に、例示的実施形態の場合、それはＬＩＤＡＲに基づく。
一部の例示的実施形態の場合、光源は、本発明をこの具体例に限定することなく、例えば、３００メートルの範囲において２マイクロ秒毎の高周波の場合、光パルスを周期的に放射することができる。
デバイスはパルス信号を生成する（開始）パルス生成器を備えていてもよく、パルス信号は測定のための開始パルス及びパルス信号列の生成のための基礎部分を兼ねていてもよい。
上述したように、光パルスは測定のための５～２０ナノ秒の長さを有し得るものであり、一部の例示的実施形態では、パルス列はビット列、例えば、１６ビットの疑似ランダムビット列を表し、そのため、例えば、５ナノ秒の長さのパルス列は１６ビットを表す。例えば、値「１」の各ビットは光源が作動状態であることを意味し、「０」は光源が非作動状態であることを意味する（又はその逆を意味する）。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源の連続オン時間が規定オン時間閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたオン時間モニタを備える。この目的のため、オン時間モニタは、例えば、光源が作動状態にある場合には所定値を有し、光源が作動状態にない場合には値を有さず又は低い値を有する光源の電圧信号を分析することができる。オン時間は、放射光エネルギー又は光出力にそれぞれ比例し得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は（例えば、パルス信号及び電流／電圧信号に基づく）光パルスのデューティファクタが規定デューティファクタ閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたデューティファクタモニタを備える。電流／電圧信号によって、デューティファクタモニタは、例えば、パルストレインの全ての作動光パルスが考慮されるように、パルス列に基づいて生成された光パルスのパルストレインを統合することができる。これは、パルス列の全ビットが特定されることで行われ得るものであり、その場合、光源は作動状態である（例えば、全ビットが値「１」又は「０」である）。デューティファクタ閾値は、例えば、光源が８ビット期間（例えば、８０ｎｓ）以下にわたって作動状態であったことをそれが規定するように、選択され得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源がパルス列外で作動されているか否かをモニタするように構成されるウインドウモニタを備える。例えば、パルス列の後に光源が作動停止されない場合又はパルス列に正しく応答しなくなる場合に、例えば、光源の故障がそれにより特定される。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、例えば、パルス信号に基づいて、パルス信号列を生成するように設定されたパルス列生成器を備える。
デバイスはまた、パルス信号に基づいて、パルスウインドウを生成するパルスウインドウ生成器をさらに備えていてもよく、例えば、パルス信号を受信すると、パルスウインドウの開始が生成され、パルストレインの終了時にパルスウインドウの終了が生成される。パルスウインドウ自体は、例えば、対応する信号によって表され（パルストレインに基づいて）光源の作動時間を表し得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源からの電流信号の時間相関走査のための（並びに対応する走査及びデジタル化された電流信号を出力するための）第１のトランスデューサを備える。
高速時間－デジタルトランスデューサが周知であり、例えば、５００ピコ秒よりも高い時間解像度を有し得る。
それにより、電流信号は、コスト効率が良くかつ高い時間解像度で光源によってデジタル化され得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源からの電圧信号の時間相関走査のための（並びに対応する走査及びデジタル化された電圧信号を出力するための）第２のトランスデューサを備える。
電流信号又は電圧信号のアナログ波形はそれぞれ、一部の例示的実施形態の場合、ＴＣＳＰＣ測定サイクルに対して同期して周期的であるので、それにより順次走査可能である。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、電気エネルギー値を計算し、それに基づいて、光源の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて（例えば、第１又は第２のトランスデューサによってそれぞれ走査された電流又は電圧信号にそれぞれ基づいて）合計光出力又はパルスエネルギーを計算するように構成されたエネルギー計算器を備える。エネルギー計算器は、例えば、電圧値Ｕに電流値Ｉを乗じることによってエネルギーを容易に計算できる。電流値Ｉは第１のトランスデューサに由来する電流信号の積分によって特定され、電圧値Ｕは（例えば、電流値Ｉとの線形的な関係に基づいて決定され、又は電圧値Ｕと電流値Ｉの間の結合についての一義的な関数である単調増加関数に基づいて決定される）モデルに基づく値又は規定された定数のいずれかであってもよいし、第２のトランスデューサに由来する電圧信号の積分によって特定されてもよい。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、光源の電気エネルギー値及び動作温度値に基づいて、放射光出力を補正するように構成された温度補償器をさらに備える。放射光出力は、概ね温度に相関し得るものであり、例えば、効率は、温度の上昇とともに低下するので、光源を流れる大きな電流が必ずしも高い放射光エネルギーを伴うわけではない。言い換えると、必要な電気エネルギーは、同じ放射光エネルギーに対して必要となる温度の増加に相関して増加し得る。温度補償器は、それが、例えば、現温度に応じて電流及び／又は電圧信号に基づいて起こる光出力を補正すること、又はそれが、例えば、エネルギー計算器によって特定される電気エネルギーの比較対象となる基準値を補正することにおいて上記効果を考慮し得る。
したがって、一部の例示的実施形態の場合、光源は、光源の動作温度値を温度補償器に出力する温度センサを備える。
一部の例示的実施形態の場合、デバイスは、光源の電流信号に基づく電圧走査信号を出力する測定用抵抗器（例えば、シャント抵抗器）を備える。測定用抵抗器の電圧走査信号を増幅する差動増幅器が、さらに設けられてもよい。さらに、デバイスは、電圧走査信号を基準値と比較し、それに基づいて、光源の状態信号をモニタリング回路に出力する比較器を備えていてもよい。状態信号は、例えば、光源が作動状態であることをシグナリングする「光源オン」信号であり得る。
一部の例示的実施形態の場合、モニタリング回路は、光源によって放射された光出力のモニタリングに基づいて光源を作動停止させるように構成されたエラーロジックを備える。
ここに記載するデバイスは、例えば、自動車又は他の装置に同様に一体化又は提供され得るＬＩＤＡＲ測定デバイスなどの飛行時間測定デバイスに一体化され得る。記載するデバイスは、自律運転される乗り物（自動車）においても使用可能である。
上記又はここに説明する方法のステップはそれぞれ、例えば、ここに記載するデバイスによって実行される飛行時間測定のための光源を動作させる（又はＬＩＤＡＲ測定デバイスなどを動作させる）方法の課題でもあり得る。
一部の例示的実施形態は、それらがプロセッサ又はコンピュータで実行されると、ここに記載する方法が実行されることになる命令を受信する（コンピュータ）プログラムにも関する。
一部の例示的実施形態は、それらがプロセッサ又はコンピュータで実行されると、ここに記載するプログラム又は方法がそれぞれ実行されることになるプログラム又は命令をそれぞれ受信するコンピュータ可読媒体にも関する。
したがって、まとめると、目の安全という重要なパラメータのモニタリングが、一部の例示的実施形態の場合に提供される。目の安全に関連するパラメータの違反が検出されると、対応する信号によって光源がオフされ得る。開始パルス信号はまた、光源の（例えば、レーザーの）オン時間をモニタリングするのに使用され得る。一部の例示的実施形態の場合、光源は、オン時間（例えば、７又は５個のナノ秒パルスの「ｔ＿ｏｎ＿ｍａｘ」）を超えるとオフされる。光源は、パルスウインドウ外で作動状態である場合及び／又はパルス列がデューティファクタ閾値を超える場合にオフされてもよい。一部の例示的実施形態の場合、光源の平均及びピーク電流値も、例えば、ヒストグラムを用いることによってＴＤＣ回路に基づいてモニタリングされ、対応する時間ベースの電流値の推移を得るために電流値がヒストグラムに埋め込まれていく。
光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスの第１の例示的実施形態を示す図である。 光飛行時間測定のための光源を動作させるデバイスの第２の例示的実施形態を示す図である。
本発明の例示的実施形態を、例示的に添付図面を参照してここに記載する。
図１は、レーザーダイオード２の目の安全をモニタリングするためのモニタリング回路３を備える、光飛行時間測定のためのレーザーダイオード２を動作させるデバイス１の第１の例示的実施形態の回路図を示す。
デバイス１の開始パルス生成器４は、ＴＣＳＰＣサイクル内でＬＩＤＡＲパルス測定、例えば、個々の測定を開始させるために周期的なトリガ信号を出力する。
周期的トリガ信号又はパルス信号はパルス列生成器５によって受信され、パルス列生成器５は、それに応じて、周期的パルス信号を、例えば、「０」及び「１」の１６ビット列であり得るパルス列に変換することでパルス列を生成する。「１」はレーザー（レーザーダイオード）２のオン又は作動をもたらすので、レーザー２はパルス列による光パルスを放射する。パルス列は、１０ｎｓビット周期でシリアル化される。本例示的実施形態では、光信号のパルストレインの長さは１６０ｎｓである。
パルストレインは、一般に、「１」に対して特定の境界条件付きで「１」及び「０」の任意の組合せを有し、「１」はレーザー２のオン時間を特定するので、パルス周波数とともに「１」の合計数が平均レーザー出力を規定する。他の例示的実施形態の場合、パルストレインはまた、単一の光パルスしか有さないこともある。
パルス列生成器５はパルス列をレーザードライバ６に出力し、レーザードライバ６はパルス列を、レーザーダイオード２を動作させるための高電流信号に変換する。
レーザードライバ６は、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓが印加されるレーザースイッチ７に接続され、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓはレーザースイッチ７がオンされるとレーザードライバ６に供給される。
レーザースイッチ７は、例えば、レーザードライバ６が故障し、不良である場合又は短絡状態が生じた場合にレーザーダイオード２をオフすることができる。短絡状態は、レーザーダイオード２が永久的に光（パルス）を放射させてしまい、目の安全に関して重大なこととなり、さらに、レーザードライバ６に加えてレーザースイッチ７もレーザーダイオードをオフしてしまうので、冗長な制御パスとなる。レーザースイッチ７は、以下でもより詳細に記載するように、モニタリング回路３から対応のオフ信号をさらに受信し得る。
レーザーダイオード２を流れる電流は、レーザーダイオード２に接続されたシャント抵抗器８を介した電圧降下によって測定される。走査された電圧が差動増幅器９に供給され、差動増幅器９は小さな走査電圧信号を増幅してそれを比較器１０に出力する。
比較器１０は、増幅された電圧走査信号を基準値と比較し、レーザーダイオードがオン（基準値超の電圧走査信号）であるのか、オフ（基準値未満の電圧走査信号）であるのかを示す対応のレーザー状態信号を出力する。
本例示的実施形態では、比較器１０によって出力された信号はレーザーオン信号であり、この信号の最初の立上りエッジが、飛行時間測定のためのＴＤＣを始動させるのに使用され得る。
開始パルス生成器４はまた、パルス信号をパルスウインドウ生成器１１に供給し、それにより開始パルス生成器４はパルスウインドウ生成器１１をトリガする。パルスウインドウ生成器は、開始パルスが受信されるとすぐに「ハイ」（ウインドウの開始）にセットされ、パルストレインの最大時間、すなわち、例えば、この例示的実施形態ではパルストレインの長さに対応する１６０ｎｓ後に「ロー」（ウインドウの終了）にセットされるウインドウ信号を出力する。
比較器１０のレーザーオン信号は、３個のモニタ、すなわち、オン時間モニタ１２、デューティファクタモニタ１３及びウインドウモニタ１４を有するモニタリング回路３に供給される。
オン時間モニタ１２は、レーザーダイオード２の（中断なしの）連続オン時間が所定のオン時間閾値を超えたか否かを確認する。例えば、レーザーダイオード２は、２つの連続するパルス、すなわち、ここではパルス列の２つの連続する「１」よりも長くは作動されてはならない。したがって、オン時間モニタ１２は、この例示的実施形態ではオン時間又は作動時間がオン時間閾値２２ｎｓ以上である場合にエラー信号をエラーロジック１５に出力する。２２ｎｓは、追加の許容差２ｎｓとともに２つのパルスについてのオン時間２０ｎｓからのものである。
デューティファクタモニタ１３は、パルスウインドウ生成器１１によって供給されるパルストレインウインドウによって規定される期間内にレーザーダイオード２のオン時間を累積又は積分する。この例示的実施形態では、（本発明をこの具体例に限定することなく）パルス列内の８ビット期間（＝８０ｎｓ＝デューティファクタ閾値）を超えてレーザーダイオード２１が作動される場合に、デューティファクタモニタ１３はエラーをエラーロジック１５に出力する。
ウインドウモニタ１４は、パルスウインドウ生成器１１によって供給されるパルス列ウインドウ（ウインドウ信号）外でレーザーダイオード２がそれぞれ動作又は作動されていないことを確認する。それにより、例えば、レーザードライバ６が故障している、不良であるなどの場合、及び例えばパルス列の終了でオフしない場合に、システムの故障が検出され得る。ウインドウモニタ１４は、この場合も同様に、エラー信号をエラーロジック１５に出力する。
エラーロジック１５は、モニタ１２～１４から受信されるエラー信号を組み合わせ、エラーの場合には、対応のオフ信号をレーザースイッチ７に送信し、レーザースイッチ７はオフ信号に応じてレーザーダイオード２をオフする。エラーロジック１５は、さらに、対応のエラー報告を主制御部に送信してもよい。
図２は、レーザーダイオード２１の動作の目の安全をモニタリングするためのモニタリング回路２２を備える光飛行時間測定のためのレーザーダイオード２１を動作させるデバイス２０の第２の例示的実施形態の回路図である。
この例示的実施形態は、ＴＣＳＰ ＬＩＤＡＲ測定原理を参照し、少なくとも２つのパルス又はパルス列がそのまま逐次放射される。
デバイス２０の開始パルス生成器２３は、ＬＩＤＡＲパルス測定、例えば、ＴＣＳＰＣサイクル内の個々の測定を開始するために、トリガ信号を周期的に出力する。
周期的トリガ信号又はパルス信号はパルス列生成器２４によって受信され、パルス列生成器２４は、それに応じて、周期的パルス信号を、例えば、「０」及び「１」の１６ビット列であり得るパルス列に変換することでパルス列を生成する。「１」はレーザー（レーザーダイオード）２１のオン又は作動をもたらすので、レーザー２１はパルス列による光パルスを放射する。パルス列は、１０ｎｓビット周期でシリアル化される。本例示的実施形態では、光信号のパルストレインの長さは１６０ｎｓである。
パルストレインは、一般に、「１」に対して特定の境界条件付きで「１」及び「０」の任意の組合せを有し、「１」はレーザー２１のオン時間を特定するので、パルス周波数とともに「１」の合計数が平均レーザー出力を規定する。
パルス列生成器２４はパルス列をレーザードライバ２５に出力し、レーザードライバ２５はパルス列を、レーザーダイオード２１を動作させるための大きな信号（電流信号）に変換する。
レーザードライバ２５は、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓが印加されるレーザースイッチ２６に接続され、レーザー供給電圧＋Ｖｌｓはレーザースイッチ２６がオンされるとレーザードライバ２５に供給される。
レーザースイッチ２６は、例えば、レーザードライバ２５が故障し、不良である場合又は短絡状態が生じた場合にレーザーダイオード２１をオフすることができる。短絡状態は、レーザーダイオード２１が永久的に光（パルス）を放射させてしまい、目の安全に関して重大なこととなり、さらに、レーザードライバ２５に加えてレーザースイッチ２６もレーザーダイオード２１をオフしてしまうので、冗長な制御パスとなる。レーザースイッチ２６は、以下でもより詳細に記載するように、モニタリング回路２２から対応のオフ信号をさらに受信し得る。
レーザーダイオード２１を流れる電流は、レーザーダイオード２１に接続されたシャント抵抗器２７を介した電圧降下によって測定される。走査された電圧は差動増幅器２８に供給され、差動増幅器２８は小さな走査電圧信号を増幅してそれを比較器２９に出力する。
比較器２９は、増幅された電圧走査信号を基準値と比較し、レーザーダイオード２１がオン（基準値超の電圧走査信号）であるのか、オフ（基準値未満の電圧走査信号）であるのかを示す対応のレーザー状態信号を出力する。
本例示的実施形態では、比較器２９によって出力された信号はレーザーオン信号であり、この信号の最初の立上りエッジが、飛行時間測定のためのＴＤＣを始動させ、モニタリング回路２２の２つのＴＣＡＤＣ３０及び３１（さらに以下も参照）をも始動させるのに使用され得る。代替例では、開始パルス生成器２３の開始パルスがこの目的のために使用されてもよく、比較器２９の出力信号はわずかに遅延され、ジッタによってレーザードライバ２５による影響を受けない。ＴＣＡＤＣ３０及び３１は、例えば、特許文献５に開示されるような態様で設計されてもよく、その内容は参照により完全にここに取り込まれる。
代表的な例示的実施形態では、モニタリング回路は、第１のトランスデューサ３０ともいう第１のＴＣＡＤＣ３０（時間相関アナログ－デジタルコンバータ）を有するとともに、第２のトランスデューサ３１ともいう第２のＴＣＡＤＣ３１を有する。
第１のＴＣＡＤＣ３０は、時間相関的に差動増幅器２８によって供給されるアナログ電流信号を走査し、エネルギー計算器３２に供給される走査された電流信号を、ＴＣＳＰＣサイクル、例えば、１００回のパルス反復の後に、更なる処理のために提供する。
本例示的実施形態では（他の実施形態の場合には省略可能）、第２のＴＣＡＤＣ３１は時間相関的にレーザーダイオード２１の「ハイサイド」のアナログ電圧信号を走査し、第２のＴＣＡＤＣ３１はエネルギー計算器３２に同様に供給される走査される電圧信号を、ＴＣＳＰＣサイクル、例えば、１００回のパルス反復の後に、更なる処理のために提供する。
利用可能となるとすぐに（例えば、１００回のパルス反復の後に）エネルギー計算器３２は、第１のＴＣＡＤＣ３０からのデジタル化された電流信号及び第２のＴＣＡＤＣ３１のデジタル化された電圧信号に基づいて、電圧信号の積分値に電流信号の積分値を乗算することによって、合計パルスエネルギー（レーザーダイオード２１を介して流れた合計電気エネルギーであって放射された光出力に対応する合計電気エネルギー）を計算する。
第２のＴＣＡＤＣ３１が設けられない例示的実施形態の場合、電圧値は一定であると仮定されてもよいし、電流信号における、例えば、線形的な（又は、上記のように単調的な）関係を介して導出されてもよい。
合計パルスエネルギーの値（したがって、ここでは合計電気エネルギー）は比較器３３に供給され、比較器３３は合計パルスエネルギーの値を基準値と比較し、基準値を超える場合には対応のエラー信号をエラーロジック３４に出力し、エラーロジック３４は、エラー信号に応じて、対応のオフ信号をレーザースイッチ２６に出力し、そしてレーザースイッチ２６はレーザーダイオード２１を作動停止させる。エラーロジック３４は、それにより他のエラー信号を受信してもよい。
本例示的実施形態では、温度センサ３５がレーザーダイオード２１に設けられ、温度センサ３５はレーザーダイオード２１の動作温度を特定し、対応の温度信号をモニタリング回路２２の温度補償器３６に供給する。
温度補償器３６は、受信温度信号に基づいてレーザーダイオード２１の温度をモニタリングする。レーザーダイオード２１によって消費される（ＴＣＡＤＣ３０及び３１の走査により、及びエネルギー計算器３２によって計算された）測定電気エネルギーはレーザーダイオード２１の光効率を介して放射光出力に関連付けられ、レーザーダイオード２１の効率又は効率の程度は温度依存性であるので、特にこの例示的実施形態の場合では６０℃以上の温度において、効率は温度の増加とともに減少する。
ただし、放射光エネルギー又は光出力はそれぞれ目の安全に関係しないため、電気エネルギーは、放射光出力が目の安全に関して過大となることなく、レーザーダイオード２１の高い動作温度に応じて増加されてもよい。
温度補償器３６は、そのストレージにおいて、放射光出力と動作温度との間の関係を記憶しているため、そこに記憶された基準値を、比較器３３との通信によって現在の動作温度に基づいて適合させることができるので、（上記のように電気エネルギーに基づく）許容可能なパルスエネルギーについての基準値は、より高い動作温度に応じてそれに従って増加する。
１ 光飛行時間測定のためのレーザーダイオードを動作させるデバイス
２ レーザーダイオード（光源）
３ モニタリング回路
４ 開始パルス生成器
５ パルス列生成器
６ レーザードライバ
７ レーザースイッチ
８ シャント抵抗器（測定用抵抗器）
９ 差動増幅器
１０ 比較器
１１ パルスウインドウ生成器
１２ オン時間モニタ
１３ デューティファクタモニタ
１４ ウインドウモニタ
１５ エラーロジック
２０ 光飛行時間測定のためのレーザーダイオードを動作させるデバイス
２１ レーザーダイオード（光源）
２２ モニタリング回路
２３ 開始パルス生成器
２４ パルス列生成器
２５ レーザードライバ
２６ レーザースイッチ
２７ シャント抵抗器（測定用抵抗器）
２８ 差動増幅器
２９ 比較器
３０ 第１のＴＣＡＤＣ（トランスデューサ）
３１ 第２のＴＣＡＤＣ（トランスデューサ）
３２ エネルギー計算器
３３ 比較器
３４ エラーロジック
３５ 温度センサ
３６ 温度補償器
国際公開第２０１７／０８１２９４号 米国特許第８４９７４７８号明細書 国際公開第２０１８／０５０８９７号 米国特許出願公開第２００５／０２０１４３５号明細書
本例示的実施形態では、比較器２９によって出力された信号はレーザーオン信号であり、この信号の最初の立上りエッジが、飛行時間測定のためのＴＤＣを始動させ、モニタリング回路２２の２つのＴＣＡＤＣ３０及び３１（さらに以下も参照）をも始動させるのに使用され得る。代替例では、開始パルス生成器２３の開始パルスがこの目的のために使用されてもよく、比較器２９の出力信号はわずかに遅延され、ジッタによってレーザードライバ２５による影響を受けない。ＴＣＡＤＣ３０及び３１は、例えば、独国特許出願第１０２０１８２２０６８８．０号に開示されるような態様で設計されてもよく、その内容は参照により完全にここに取り込まれる。

Claims (15)

  1. 光飛行時間測定のための光源（２、２１）を動作させるデバイス（１、２０）であって、
    パルス信号列に従って光パルスを放射するように構成された光源（２、２１）と、
    前記光源（２、２１）の電流信号及び／又は電圧信号に基づいて前記光源（２、２１）によって放射される光出力をモニタリングするモニタリング回路（３、２２）と
    を備えるデバイス。
  2. 前記モニタリング回路（３）は、前記光源（２）の連続オン時間が規定オン時間閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたオン時間モニタ（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記モニタリング回路（３）は、前記光パルスのデューティファクタが規定デューティファクタ閾値未満であるか否かをモニタリングするように構成されたデューティファクタモニタ（１３）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
  4. 前記モニタリング回路（３）は、前記光源（２）がパルス列外で作動されているか否かをモニタリングするように構成されたウインドウモニタ（１４）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
  5. 前記パルス信号列を生成するように構成されたパルス列生成器（５、２４）をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
  6. パルス信号に基づいてパルスウインドウを生成するパルスウインドウ生成器（１１）をさらに備える請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記モニタリング回路（２２）は、前記光源（２１）からの前記電流信号の時間相関走査のための第１のトランスデューサ（３０）を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
  8. 前記モニタリング回路（２２）は、前記光源（２１）からの前記電圧信号の時間相関走査のための第２のトランスデューサ（３１）を備えることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記モニタリング回路（２２）は、前記光源（２１）の前記電流信号及び／又は前記電圧信号に基づいて電気エネルギー値を計算するように構成されたエネルギー計算器（３２）を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のデバイス。
  10. 前記電気エネルギー値及び前記光源（２１）の動作温度値に基づいて放射された前記光出力を補正するように構成された温度補償器（３６）をさらに備える請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記光源（２１）は、前記光源（２１）の前記動作温度値を前記温度補償器（３６）に出力する温度センサ（３５）を備える、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 前記光源（２、２１）の前記電流信号に基づいて電圧走査信号を出力する測定抵抗器（８、２７）をさらに備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
  13. 前記測定抵抗器（８、２７）に対する前記電圧走査信号を増幅する差動増幅器（９、２８）をさらに備える請求項１２に記載のデバイス。
  14. 前記電圧走査信号を基準値と比較し、それに基づいて前記光源（２、２１）の状態信号を前記モニタリング回路（３、２２）に出力する比較器（１０、２９）をさらに備える請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記モニタリング回路（３、２２）は、前記光源（２、２１）によって放射された前記光出力のモニタリングに基づいて前記光源（２、２１）を作動停止させるように構成されたエラーロジック（１５、３４）を備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のデバイス。
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