JP6542987B2 - Ｌｉｄａｒセンサ - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車のためのＬＩＤＡＲセンサであって、光源と、光源から放出された光ビームを偏向することによって、監視スペースを覆う走査ビームを生成するための可動の偏向ミラーと、監視スペース内の物体に走査ビームとして入射し、反射された光を検出するための光学的な受信器とを備えるＬＩＤＡＲセンサに関する。

ＬＩＤＡＲセンサは、特に自動車のためのドライバ支援システムにおいて交通環境を検出するために使用され、例えば前方を走行する車両または他の障害物の位置を測定するために使用される。

上記形式の従来のＬＩＤＡＲセンサでは、光源、例えば半導体レーザによって生成された光ビームが、例えば１〜２ｍｍのビーム直径を有するように、光学系を通ってわずかに拡大される。このビームは、次いで偏向ミラーにおいて偏向され、物体の位置を測定するための走査ビームを直接に形成する。走査ミラーは、１次元または２次元で往復運動され、走査ビームは所定の角度範囲を覆うか、または偏向ミラーが２次元運動する場合には、監視スペースを形成する所定の空間角度範囲を覆う。

小さいビーム直径に基づいて小型の偏向ミラーを使用することができ、このような偏向ミラーは相応に小さい慣性モーメントを有し、発振周波数が高い場合であってもミラーの機構に過度に負荷が加えられることがなく、したがって、高いフレームレートによって監視スペースを走査することが可能になる。

しかしながら、塵、雨または雪の場合には、ビーム直径が散乱粒子（例えば雪片）と比較して相対的に小さいので、比較的高い吸収損失および散乱損失が生じる。したがって不都合な条件下では、ＬＩＤＡＲセンサの到達距離および感度が制限される。目の安全性が要求されることによって、さらにレーザビームの最大許容強度が制限される。このようなことによっても到達距離および感度に関して制限が生じる。

代替的に、レーザビームを光学系によって著しく拡大するいわゆる「マクロスキャナ」が既知である。ビームパラメータ積が得られることにより、遠距離において走査ビームの極めて小さい開口角を達成することができる。しかしながら、ビームを偏向するためには極めて寸法の大きい偏向ミラーが必要となる。このような理由から、多くの場合にはＬＩＤＡＲセンサが全体として方位角で旋回される。しかしながら、センサの寸法および慣性質量に基づいて、監視スペースの比較的小さい開口角および／または小さい走査周波数、したがって低いフレームレートのみが可能である。角度分解能が仰角においても必要とされる場合には、複数の走査ビームが異なる仰角で放射される多重ビームシステムによって処理されることが多い。

本発明の課題は、目の安全性が確保されており、散乱粒子に対する感度が低い場合に、監視スペースの大きい走査周波数および／または大きい開口角を可能にするＬＩＤＡＲセンサを提供することである。

本発明によれば、この課題は、光源および偏向ミラーが、偏向された光ビームによってマイクロ光学素子のフィールドを走査するように調整されており、それぞれのマイクロ光学素子が、光ビームによって入射された場合に光ビームを発散性のビームとして拡大し、マイクロ光学素子のフィールドに対して間隔をおいて、光収束素子が配置されており、この光収束素子が発散性のビームを、走査ビームを形成するビームとなるように変形し、このビームのビーム直径が、偏向されたビームのビーム直径よりも大きいことにより解決される。

マイクロ光学素子および光収束素子は協働して、マクロスキャナの場合と同様にビーム拡大を引き起こし、これにより、レーザビームの総出力が高い場合であっても目の安全性を保障することができる。なぜなら、ビーム直径は、人間の目の瞳孔の直径よりも大きいからである。散乱粒子に対する感度もマクロスキャナの場合と同様に低い。しかしながら、偏向ミラーに入射するビームは極めて小さい直径を有しているので、小型の偏向ミラーを使用することができ、これに応じてこのような偏向ミラーによって大きい走査周波数が可能となる。偏向ミラーで偏向されたビームは、監視スペースを直接に走査するのではなく、マイクロ光学素子のフィールドのみを走査する。走査ビームが放射される方向は、それぞれに入射されるマイクロ光学素子の、光収束素子の光軸に対する位置に依存している。したがって、監視スペースの開口角は、光ビームが偏向ミラーで最大限に偏向される角度よりも著しく大きくてもよい。このようにして、高いフレームレートによって広い開口角により監視スペースを走査することが可能になる。

本発明の好ましい構成および実施形態が従属請求項に記載されている。

マイクロ光学素子は、選択的に光を屈折する素子（例えば発散レンズ）または反射性の素子（例えば凸面鏡または凹面鏡）であってもよい。回折素子（例えばＤＯＥ、すなわち回折光学素子）を使用してもよい。

光収束素子は光学レンズであってもよく、光学レンズの焦点面にはマイクロ光学素子のフィールドが位置し、発散性のビームがレンズを通ってほぼ平行なビームに変形される。代替的には、レンズの代わりに凹面鏡を用いることも可能である。

光収束素子は同時に光学的な受信器の対物レンズを形成していてもよく、入射し、物体で反射されたビームは、放出されるビームと同軸的であり、したがって、検出された信号を評価する場合には視差エラーを考慮する必要はない。例えば、光源と光収束素子との間、すなわち、光源と偏向ミラーとの間、偏向ミラーとマイクロ光学素子のフィールドとの間、またはマイクロ光学素子のフィールドと光収束素子との間の光路には、受信した光を検出器の視野に向けて偏向するビームスプリッタが設けられていてもよい。一実施形態では、マイクロ光学素子のフィールドは同時にビームスプリッタの機能を有していてもよい。

視差エラーを補正するために、マイクロ光学素子のフィールド、または光をこのフィールドに偏向するミラーがアーチ状に形成されていると好ましい場合もある。

次に本発明に実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明によるＬＩＤＡＲセンサの概略図である。 物体の位置を測定するためのＬＩＤＡＲセンサを自動車で使用する使用例を示す図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。 本発明の別の実施形態によるＬＩＤＡＲセンサを示す概略図である。

図１に示すＬＩＤＡＲセンサ１０は光源１２として半導体レーザを備え、この半導体レーザは、スペクトルの可視範囲または選択的に赤外線範囲の光線１４を放出する。結像レンズ１６は偏光ミラー１８を介してマイクロ光学素子２２のフィールド２０に光を焦点合わせする。図示の実施例では、フィールド２０は透明なプレート、例えば、マイクロ光学素子２２として発散レンズの微小な走査パターンを備えるガラスプレートである。

偏向レンズ１８は、図１の図平面に対して垂直方向に延在する軸線２４を中心として旋回可能であり、図１に二重矢印で示すように往復運動する。光ビーム１４は偏向ミラー１８において偏向され、偏向されたビーム２６を形成し、このビームはフィールド２０を走査する。偏光されたビーム２６によって入射される発散レンズは発散性のビーム２８を生成し、このビームは、レンズ３０として形成された光収束素子に入射する。

フィールド２０とレンズ３０との間の間隔はレンズ３０の焦点距離にほぼ相当し、発散性のビーム２８はこのレンズによってほぼ平行な光線束に変形され、この光線束は走査ビーム３２としてＬＩＤＡＲセンサ１０から放射される。この場合、走査ビーム３２の放射方向は、偏光されたビーム２６によって入射されるマイクロ光学素子２２の位置に依存している。このようにして、偏向ミラー１８は間接的に走査ビーム３２の偏向をもたらす。

図２は、ＬＩＤＡＲセンサ１０がフロント部分に組み込まれた自動車３４を示す。ＬＩＤＡＲセンサ１０は走行方向前方に向けられている。走査ビーム３２は偏向ミラーによって往復運動により偏向され、角度範囲±αを覆う。この角度範囲±αは図示の実施例では±１２°であり、ＬＩＤＡＲセンサ１０によって走査される監視スペース３６を定義する。図示の実施例では、監視スペース３６に物体３８、すなわち前方を走行する車両が配置されており、この車両は走査ビーム３２によって入射され、ビームの一部を反射し、反射されたビーム４０はＬＩＤＡＲセンサ１０に戻り、ＬＩＤＡＲセンサ１０によって受信される。

図１に示した実施例では、ＬＩＤＡＲセンサの受信器４２がレンズ４４および光電子式の画像センサ４６によって形成される。反射されたビーム４０は、レンズ３０に隣接して配置されたレンズ４４によって画像センサ４６に焦点合わせされる。画像センサは、例えばＣＣＤ素子の配列またはフィールドによって形成される。

図１に示した配置では、偏向ミラー１８とフィールド２０との間の間隔は、フィールド２０を完全に走査するために偏向ミラーが回転される必要のある角度を決定する。この間隔が大きい程、偏向ミラー１８が旋回される必要のある角度範囲は小さくなる。これに対して、走査ビーム３２によって覆われる角度範囲、ひいては監視スペース３６を定義する角度範囲は、レンズ３０の焦点距離、すなわちフィールド２０とレンズ３０との間の間隔に依存しており、したがって偏光ミラー１８が旋回される角度範囲の２倍よりも著しく大きい場合もある。

１次元のＬＩＤＡＲセンサの場合には、走査ビーム３２は１次元でのみ、例えば図２に示すように方位角で旋回される。この場合、互いに密に隣接して配置されたマイクロ光学素子２２の１列のフィールド２０しかない。

これに対して、走査ビーム３２が高さ方向にも旋回される２次元のＬＩＤＡＲセンサの場合には、フィールド２０は、図１の図平面に対して垂直な方向にも広がる２次元のフィールドであり、偏向ミラー１８は軸線２４を中心としてだけではなく、軸線２４に対して直角にミラーの縦方向に延在する軸線を中心としても旋回可能である。

実際的な実施例では、光源１２によって生成される光ビーム１４は、約３．３の回折指数Ｍ^２、約１．７°の開口角、および、最も薄い箇所では約０．１４ｍｍの直径を有する。結像レンズ１６は３ｍｍの直径および２９ｍｍの焦点距離を有し、光源との間隔は７６ｍｍである。偏向ミラー１８は、結像レンズ１６から約１ｍｍ離間しており、マイクロ光学素子のフィールド２０から約４０ｍｍ離間している。フィールド２０は主要走査方向（図１の垂直方向）に２２ｍｍの長さを有し、ミリメートルにつき１０個のマイクロレンズを形成している。レンズ３０は５０ｍｍの直径および５０ｍｍの焦点距離を有する。走査ビーム３２は、上述の＋／−１２°の角度範囲で旋回させることができ、レンズの位置で約１９ｍｍの直径を有し、１８０ｍの距離を介して約５７ｃｍに増大する。走査ビーム３２の直径は、ＬＩＤＡＲセンサにおいては人間の目の入射瞳の２倍よりも大きく（約７ｍｍ）、したがってレーザビームの総出力が高く、対応して到達距離が大きい場合であっても必要な目の安全性を保持し、ＬＩＤＡＲセンサの感度に対応することができる。さらに、ビーム直径は、雪片４８、雨滴、塵粒子などの散乱粒子の一般的な直径よりも大きく、これに応じて小さい散乱損失および吸収損失しか生じない。

図３は、別の実施例としてＬＩＤＡＲセンサ１０ａを示し、ＬＩＤＡＲセンサ１０ａは、反射プレートによって形成されたマイクロ光学素子２２ａのフィールド２０ａを備える。この場合、個々のマイクロ光学素子２２ａは小さい凸面鏡（または選択的に焦点距離が極めて短い凹面鏡）によって形成される。

この実施例では、同時にレンズ３０は、さらにビームスプリッタ５０、例えば半透過性のミラーを備える受信器４２ａの対物レンズを形成しており、受信器４２ａは、発散性のビームをマイクロ光学素子２２ａからレンズ３０へ透過させるが、しかしながら、受信した光の一部を画像センサ４６ａに偏向する。当然ながら、受信器４２ａのこのような構成は、マイクロ光学素子として光を屈折する素子を用いた実施形態においても可能であり、反対に、反射性のマイクロ光学素子２２ａと組み合わせて、レンズ２０とは別に受信器を配置した実施形態においても可能である。

図４はＬＩＤＡＲセンサ１０ｂを示す。ＬＩＤＡＲセンサ１０ｂには、ＬＩＤＡＲセンサ１０ａとは構成が異なる受信器４２ｂが設けられている。この受信器は、半透過性のミラーとして形成されたビームスプリッタ５０ｂを備え、このビームスプリッタ５０ｂは、光源１２と結像レンズ１６との間に配置されており、受信した光を、個々の受光素子によって形成された画像センサ４６ｂに向けて偏向する。このように、この実施形態では、受信された光はレンズ３０によってフィールド２０ａに焦点合わせされ、そこで偏向ミラー１８に向けて反射され、最後に結像レンズ１６を通って、ビームスプリッタ５０ｂを介して画像センサ４６ｂに焦点合わせされる。この場合、受信された光が入射する方向は、それぞれの時点で既知である偏向ミラー１８の角度位置から得られ、光の信号所要時間は極めて短く、偏向ミラー１８がこの時間内に回転される回転角度は無視できる程度に小さいと仮定される。

図５はＬＩＤＡＲセンサ１０ｃを示す。図４に示したＬＩＤＡＲセンサとは異なり、このＬＩＤＡＲセンサ１０ｃには、マイクロ光学素子のフィールドとしてアーチ状のフィールド２０ｃが設けられている。このようなフィールドのアーチ形状により結像エラーを最小限にすることが可能になる。この実施例では、光を回折する素子２２ｃがマイクロ光学素子として設けられている。しかしながら選択的には、光を屈折または反射する素子が設けられてもよい。

この実施例では、偏向ミラー１８とフィールド２０ｃとの間に、レンズ３０の光軸に沿って光がフィールド２０ｃに入射するように光を偏向する別のミラー５２が設けられている。

図６は、変更を加えた実施例としてＬＩＤＡＲセンサ１０ｄを示す。このＬＩＤＡＲセンサ１０ｄは、図５に示したＬＩＤＡＲセンサ１０ｃと同じ基本的構成を備えるが、図５に示したマイクロ構成素子のアーチ状フィールド２０ｃが、図１に示したアーチ状ではないフィールド２０によって置き換えられていることにより異なる。その代わりに、この場合には結像エラーを補正するために、平坦なミラー５２の代わりにアーチ状のミラー５２ｄが設けられている。

図７は、ＬＩＤＡＲセンサ１０ｅを示す。このＬＩＤＡＲセンサ１０ｅでは、光源１２が、密に束ねられた平行なレーザビームを生成し、このレーザビームは、偏向ミラー１８およびビームスプリッタ５０ｅの半透過性のミラーを介して、マイクロ光学素子のフィールド２０に向けて偏向される。受信され、レンズ３０によって束ねられた光（破線により示す）は、（半透過性の）フィールド２０を通ってビームスプリッタ５０ｅに入射し、ビームスプリッタ５０ｅによって分離され、受信器４２ｅに入射する。受信器４２ｅは、平坦な（または列状の）画像センサ４６ｅおよび結像レンズ１６ｅによって形成されている。この付加的な結像レンズ１６ｅは、極めて小さい画像センサ４６ｅの使用を可能にする。さらに、この装置では、受信開口を良好に利用することができる。画像センサ４６は、レンズ３０においてレンズの横断面全体を占める光線束の光を全て受信する。このようにして、受信経路におけるより高い信号強度が得られる。

図８は、ＬＩＤＡＲセンサ１０ｆを示す。ＬＩＤＡＲセンサ１０ｅとは異なり、このＬＩＤＡＲセンサ１０ｆには反射性のマイクロ光学素子のフィールド２０ｆが設けられているが、しかしながらフィールド２０ｆは半透過性であり、したがって同時にビームスプリッタとして機能する。

Claims (17)

1. 特に自動車のためのＬＩＤＡＲセンサであって、
   光源（１２）と、
   該光源（１２）から放出された光ビーム（１４）を偏向することによって、監視スペース（３６）を覆う走査ビーム（３２）を生成するための可動の偏向ミラー（１８）と、
   監視スペース（３６）内の物体（３８）に走査ビーム（３２）として入射し、反射された光を検出するための光学的な受信器（４２；４２ａ；４２ｂ；４２ｅ）と、
   を備えるＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   光源（１２）および偏向ミラー（１８）が、偏向された光ビーム（２６）によってマイクロ光学素子（２２；２２ａ；２２ｃ）のフィールド（２０；２０ａ；２０ｃ；２０ｆ）を走査するように調整されており、それぞれのマイクロ光学素子が、光ビームによって入射された場合に光ビームを発散性のビーム（２８）として拡大し、
   マイクロ光学素子のフィールド（２０；２０ａ；２０ｃ；２０ｆ）に対して間隔をおいて、光収束素子（３０）が配置されており、該光収束素子（３０）が発散性のビーム（２８）を、走査ビーム（３２）を形成するビームとなるように変形し、該ビームのビーム直径が、偏向されたビーム（２６）のビーム直径よりも大きいこと、
   を特徴とするＬＩＤＡＲセンサ。
2. 請求項１に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   前記マイクロ光学素子（２２）がマイクロレンズであるＬＩＤＡＲセンサ。
3. 請求項１に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   前記マイクロ光学素子（２２ａ）が反射性の素子であるＬＩＤＡＲセンサ。
4. 請求項１に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   前記マイクロ光学素子（２２ｃ）が、光を回折する素子であるＬＩＤＡＲセンサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   結像レンズ（１６）を備え、該結像レンズ（１６）によって、前記光源（１２）から放出された前記光ビーム（１４）が、前記偏向ミラー（１８）を介してマイクロ光学素子の前記フィールド（２０；２０ａ）に焦点合わせされるＬＩＤＡＲセンサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   放出された前記光ビーム（１４）および偏向された前記光ビーム（２６）が最大で５ｍｍの直径を有し、前記光収束素子（３０）が少なくとも１５ｍｍの直径を有するＬＩＤＡＲセンサ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   前記光収束素子（３０）が、同時に前記受信器（４２ａ；４２ｂ；４２ｅ）の対物レンズを形成しているＬＩＤＡＲセンサ。
8. 請求項７に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   受信した光を受信器の画像センサ（４６ａ；４６ｂ；４６ｅ）に向けて偏向するために、前記光源（１２）と前記光収束素子（３０）との間の光路にビームスプリッタ（５０；５０ｂ；５０ｅ）を備えるＬＩＤＡＲセンサ。
9. 請求項８に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
   前記ビームスプリッタ（５０）が、マイクロ光学素子の前記フィールド（２０ａ）と前記光収束素子（３０）との間に配置されているＬＩＤＡＲセンサ。
10. 請求項８に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記ビームスプリッタ（５０ｂ）が前記光源（１２）と前記偏向ミラー（１８）との間に配置されているＬＩＤＡＲセンサ。
11. 請求項８に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記ビームスプリッタ（５０ｅ）が前記偏向ミラー（１８）とマイクロ光学素子の前記フィールド（２０）との間に配置されているＬＩＤＡＲセンサ。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記受信器（４２ｂ；４２ｅ）が、受信され、前記光収束素子（３０）によってあらかじめ焦点合わせされた光を画像センサ（４６ｂ；４６ｅ）に焦点合わせするためのレンズ（１６；１６ｅ）を備えるＬＩＤＡＲセンサ。
13. 請求項１２に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記受信器（４６ｅ）の前記レンズ（１６ｅ）および前記光収束素子（３０）が共通の光軸を有し、ビームスプリッタ（５０ｅ）が、前記偏向ミラー（１８）から入射した光を、前記光収束素子（３０）に向けて偏向し、受信された光を前記受信器（４２）に分離するＬＩＤＡＲセンサ。
14. 請求項１３に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    ビームスプリッタがマイクロ光学素子の前記フィールド（２０ｆ）によって形成されるＬＩＤＡＲセンサ。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    マイクロ光学素子の前記フィールド（２０ｃ）がアーチ状になっているＬＩＤＡＲセンサ。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記光収束素子（３０）の光軸にミラー（５２；５２ｄ）が配置されており、該ミラーが、前記偏向ミラー（１８）によって偏向されたビームをマイクロ光学素子の前記フィールド（２０；２０ｃ）に向けて偏向するＬＩＤＡＲセンサ。
17. 請求項１６に記載のＬＩＤＡＲセンサにおいて、
    前記ミラー（５２ｄ）がアーチ状になっているＬＩＤＡＲセンサ。

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