JP6805254B2 - Ｌｉｄａｒ式走査装置およびｌｉｄａｒ式走査システム - Google Patents

Description

本発明は、ＬＩＤＡＲ式走査装置に関する。特に本発明は、自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置に関する。

ＬＩＤＡＲ式走査装置は光源および光検出器を含む。光源は、所定の観察範囲内で光を送信し、光検出器は、送信され、観察範囲内の物体で反射された光を受信する。検出された反射光に基づいて、例えば物体の大きさおよび／または距離を決定することができる。

異なる目的のために異なる観察範囲が設けられていることは利点である。例えば自動車が高速道路を走行する場合には、前方を走行する自動車を小さい開口角および大きい到達範囲を備える観察範囲で検出することができる。これに対して、自動車がゆっくり走行している場合には近隣範囲を大きい開口角および小さい到達範囲によって良好に走査することができる。

一般に、物体と光検出器との間の光路には観察範囲を決定する光学結像素子が設けられている。この場合、ＬＩＤＡＲ式走査装置が一般に１つの目的または類似の用途のグループに明確に割り当てられるように、光学結像素子が明確に選択される。

本発明の基礎をなす課題は、改良されたＬＩＤＡＲ式走査装置およびＬＩＤＡＲ式走査装置システムを提供することである。本発明はこの課題を独立請求項の対象によって解決する。従属請求項は好ましい実施形態を示している。

自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置は、物体に光を送信するための光源、物体によって反射された光を受信するための光検出器、および、物体と光検出器との間の光路に設けられた複数の光学結像素子を含む。

１つのみではなく複数の結像素子を使用することによって、同じＬＩＤＡＲ式走査装置を様々な目的のために使用することができる。例えば、自動車に搭載されている様々なドライバ支援システムがＬＩＤＡＲ式走査装置にアクセスすることができる。

光学結像素子は、テーパ型光学系、屈折素子、または回折素子を含んでいてもよい。テーパ型光学系は、一般に多数の光ファイバによって形成されており、ファイバは入射面から出射面に光を結像する。ファイバは、好ましくは単一モードであり、堅固なブロックとなるように密に束ねられていてもよい。屈折素子は光の屈折に基づいており、例えばレンズまたはプリズムを含んでいてもよい。回折素子は光の回折に基づいており、例えば微小構造によって作動することができる。本発明は、同種の、または異なる光学結像素子を互いに組み合わせることを可能にする。

光学結像素子が様々な観察範囲を備えることは特に好ましい。これにより、ＬＩＤＡＲ式走査装置が様々な目的のためにより適切に貢献することができる。

一実施形態では、観察範囲は開口角または到達範囲によって異なる。別の一実施形態では、観察範囲は境界の方位によって異なる。換言すれば、観察範囲は、開口角もしくは到達範囲および／または方向に関して、車両の方位に関連して異なる。これらの実施形態を互いに組み合わせることができ、例えば第１観察範囲は走行方向に前方に向けられており、狭い開口角を備え、第２観察範囲は側方（横方向）に向けられており、広い開口角を備える。したがって、例えば衝突防止支援装置および駐車支援装置は、それぞれに割り当てられたＬＩＤＡＲ式走査装置の観察範囲を使用することができる。

好ましい実施形態では、結像素子は光検出器の様々な範囲に結像する。これにより、複数の観察範囲を同時に使用することができる。

別の実施形態では、結像素子が結像する光検出器の範囲は重なり、好ましくはいずれか１つの観察範囲を遮光するための制御可能な絞りが設けられている。絞りは、特にいずれか１つの観察範囲を除いた全ての観察範囲を遮光するように制御することができる。このためには、個々に制御可能な２つの絞りまたは共通の絞りが設けられていてもよい。共通の絞りは特に単純な孔状絞りを含んでいてもよい。孔状絞りは、使用したい観察範囲に対応した光路に孔が位置するように変位することができる。これにより、それぞれ光検出器を利用して異なる観察範囲を時間的に前後して使用することができる。

さらに別の一実施形態では、結像素子の複数の光路にそれぞれ１つの光学帯域フィルタが設けられており、帯域フィルタの帯域幅および／または中心波長は異なっている。好ましくは、帯域フィルタの帯域幅および／または中心波長は、割り当てられた観察範囲に適合されている。特に、開口角または到達範囲に関して適合を行うことができる。開口角が小さくなればなる程、帯域フィルタの帯域幅はいっそう小さくてもよく、これにより改善された信号雑音比（ＳＮＲ）が得られる。

ＬＩＤＡＲ式走査装置システムは、物体に光を送信するための光源、物体によって反射された光を受信するための光検出器、および、複数の光学結像素子であって、いずれか１つの光学結像素子を物体と光検出器との間の光路に配置することができる光学結像素子を含む。

光学結像素子を使用することによって得られるＬＩＤＡＲ式走査装置の用途に依存して、光学結像素子を選択することができる。上述のように同時に複数の光学結像素子を光路に配置することができることは特に好ましい。

好ましくは、ＬＩＤＡＲ式走査装置の観察範囲の到達範囲および／または開口角は、適合する光学結像素子の適宜な選択に基づいて個々に変更することができる。特に到達範囲は、所定の開口角内で個々に適合させることができる。センサケーシングは、使用される光学結像素子により良く適合させることができる。観察範囲は、別の光学結像素子、特にテーパ型光学系、屈折素子、または回折素子を追加することによって拡大することができる。多数の個々の光検出器を含む光検出器アレイは、個々の個別検出器によって代替することができる。それぞれの個別検出器に１つの光学結像素子が割り当てられていてもよい。個々の個別検出器はより安価であり、および／またはよりロバスト性がある場合もある。光学結像素子は、走査が、例えば汚染または他の妨害に対してよりロバスト性を備えるように観察範囲が互いに重なるように選択してもよい。さらに複数の観察範囲が互いに重なる範囲を定めることができ、特にこの関心領域（Region of Interest, ROI）では冗長的な走査が可能となる。これにより、ＬＩＤＡＲ式走査装置のＡＳＩＬを高めることができる。

次に添付の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置を示す図である。 図１のＬＩＤＡＲ式走査装置の異なる観察範囲を示す図である。 図１のＬＩＤＡＲ式走査装置で使用するための異なる帯域を示す図である。

図１は、特に自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置１００を示す。走査装置１００は光源１０５、光検出器１００、および好ましくは複数の光学結像素子１１５を含む。走査装置１００は、物体１２０を光学的に走査するように構成されている。このために、光源１０５は光を送信し、この光は物体１２０で反射され、光検出器１００に入射することができる。一実施形態では、光源１０５および光検出器１１０は相互に一体的に構成されており、広範囲に同じ光路を分け合う。光源１０５は、好ましくはレーザを含み、レーザの光は、一実施形態では行状または行列状に所定の範囲にわたってガイドすることができる。光検出器１１０は、個々の素子または個々のセンサ素子の１次元もしくは２次元配列を含む。光学結像素子１１５は、物体１２０と光検出器１１０との間の光路に配置されており、入射光を所定の方式で集束または拡大するように構成されている。光学結像素子１１５は、特にテーパ型光学系、屈折素子、回折素子、またはこれらの組合せを含んでいてもよい。

一般に主に結像素子１１５の光学特性によって観察範囲１２５が決定され、光は観察範囲１２５から結像素子１１５を通って光検出器１１０に入射することができる。特に、開口角１３、または開口角１３０の境界１３５の方位は結像素子１１５によって定められていてもよい。

少なくとも２つの光学結像素子１１５を物体１２０と光検出器１１０との間の光路に同時に設けることが提案される。図１に示すように、それぞれの結像素子１１５には１つの観察範囲１２５が割り当てられていてもよく、両方の観察範囲１２５を組み合わせることによりＬＩＤＡＲ式走査装置１００の全体的な観察範囲１２５を得ることができる。

随意に、物体１２０と光検出器１１０との間の光路には絞り１４０および／または帯域フィルタ１４５が設けられている。好ましくはそれぞれの結像素子１１５には固有の帯域フィルタ１４５が割り当てられている。割り当てられた絞り１４０または共通の絞りを両方の結像素子１１５のために用いることもできる。一実施形態では、絞り１４０は単純な孔状絞りを含み、孔状絞りは、いずれか１つのみの光学結像素子１１５と光検出器１１０との間の光路を許可し、別の光路を遮光するように構成されている。さらに別の実施形態では、１つ以上の虹彩絞りが孔状絞りと共に絞り１４０をなしていてもよい。

好ましくは、観察範囲１２５は方位、開口角１３０および／または到達範囲に関して異なっている。この場合、観察範囲１２５は重なってもよいし、または互いに分離していてもよい。観察範囲の方向は、境界１３５の間に延在する開口角１３０の角度二等分線によって付与されていてもよい。様々な実施形態において、観察範囲１２５は互いに異なっていてもよいし、または重なってもよい。他の実施形態では、観察範囲１２５は互いに同一であってもよいし、いずれか一方の観察範囲１２５が他方の観察範囲１２５の一部であってもよい。

それぞれの光学結像素子１１５は、光検出器１１０の対応する所定の検出範囲１５０に光を結像するように構成されている。観察範囲１２５の相対位置に依存して、検出範囲１５０は互いに重なってもよいし、互いに同一であってもよいし、分離していてもよいし、または１つの検出範囲１５０は他の検出範囲１５０の一部を形成してもよい。一実施形態では、両方の検出範囲１５０は同じ光検出器１１０に設けられており、別の一実施形態では、２つの個別の光検出器１１９が設けられており、これらの光検出器のそれぞれが固有の検出範囲１５０を備える。

観察範囲１２５と検出範囲１５０とを相互に調整する様々な可能性によって、それぞれ適切な光学結像素子１１５を選択し、その他の同じ構成要素を用いて極めて多数の異なる実施形態が得られる。

ＬＩＤＡＲ式走査装置システム１６０は複数の光学結像素子１１５を含み、これらのうちの少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの光学結合素子１１５は、上記ＬＩＤＡＲ式走査装置１００を形成するために使用される。上記システム１６０によって、ＬＩＤＡＲ式走査装置１００を様々な目的に適合された組立てキットの形式で構成することができる。別の実施形態では、３つ以上の光学結像素子１１５がＬＩＤＡＲ式走査装置１００に設けられており、上記説明が同様に該当する。

図２は、図１に示したＬＩＤＡＲ式走査装置１００の異なる例示的な観察範囲１２５を示す。上部には観察範囲１２５の平面図が示されており、下部には観察範囲１２５の側面図が示されている。

第１光学結像素子１１５．１に割り当てられた第１観察範囲１２５．１は小さい第１開口角１３０．１を備える。到達範囲は比較的大きく、第１観察範囲１２５．１は、水平方向および垂直方向に走行方向２０５に対して対称的に配向されている。

第２観察範囲１２５．２は第２光学結像素子１１５．２に割り当てられている。第２開口角１３０．２は第１開口角１３０．１よりも小さく、第２観察範囲１２５．２の方位は水平方向に走行方向２０５と共に角度をなしており、第２観察範囲１２５．２は垂直方向に、走行方向２０５に対して平行に延在している。

第３観察範囲１２５．３は、第３光学結像素子１１５．３に割り当てられている。割り当てられた第３開口角１３０．３は第２開口角１３０．２よりも大きく、第３観察範囲１２５．３の水平方向の方位は、走行方向２０５と共に水平方向に第２観察範囲１２５．２よりも大きい角度をなしている。

垂直方向に、第３観察範囲１２５．３は走行方向２０５に対して平行に配向されている。

観察範囲１２５．１，１２５．２または１２５．３を走査するために、結像素子１１５．１，１１５．２および１１５．３を同時に使用することもできるし、または順次に使用することもできる。好ましくは、全ての結像素子１１５は、それぞれ同じＬＩＤＡＲ式走査装置１００の一部であり、同じ走査装置１００によって種々異なる走査を行うことができる。

図３は、図１のＬＩＤＡＲ式走査装置１００で使用するための異なる帯域フィルタ１４５の線図を示す。上部には第１線図３０５が示されており、下部には第２線図３１０が示されている。第１線図３０５は、第１観察範囲１２５に対応する第１帯域フィルタ１４５に割り当てられており、第２線図３１０は、第２観察範囲１２５に対応する第２帯域フィルタ１４５に割り当てられている（図１参照）。帯域フィルタ１４５は、一実施形態では、それぞれ割り当てられた光学結像素子１１５と一体的に構成されていてもよい。

両方の線図３０５，３１０では、水平方向に波長が示されており、垂直方向にそれぞれの帯域フィルタ１４５の透過性が示されている。

それぞれの線図３０５，３１０には、実線によって第１透過曲線３１５が記入されており、破線によって第２透過曲線３２０が記入されている。第１線図３０５の帯域フィルタ１４５は、小さい開口角１３０を備える観察範囲１２５に割り当てられており、第２線図３１０は、より大きい開口角１３０を備える観察範囲１２５に割り当てられていると仮定する。第１透過曲線３１５は、開口角１３０の角度二等分線の方向から入射した場合にそれぞれ帯域フィルタ１４５を通過する光を示す。第２透過曲線３２０はこれに類似していずれか一方の境界１３５に近い方向から帯域フィルタ１４５を通過する光を示す。包絡線３２５は、両方の帯域フィルタ１４５のそれぞれの透過範囲を示す。第１線図３０５では、第２線図３１０の場合よりも狭い包絡線３２５を使用できることが示されている。

換言すれば、帯域フィルタ１４５の包絡線３２５は、それぞれに割り当てられた観察範囲１２５の開口角１３０に依存して選択することができる。したがって、図面では包絡線１２５の半分の高さの幅に相当する（半値全幅＝ＦＷＨＭ）帯域幅を適合し、狭く保持してもよい。これにより、例えば太陽または他の光源に起因することもある干渉光に対する保護を改善することができる。

Claims (8)

1. 自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）であって、
   物体（１２０）に光を送信するための光源（１０５）と、
   前記物体（１２０）によって反射された光を受信するための光検出器（１１０）と、
   前記物体（１２０）と光検出器（１１０）との間の光路に設けられた複数の光学結像素子（１１５）と、
   を含む自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   前記光学結像素子（１１５）が、テーパ型光学系を含み、
   前記光学結像素子（１１５）が様々な観察範囲（１２５）を備える、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
2. 請求項１に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   前記観察範囲（１２５）が開口角（１３０）または到達範囲によって異なっている、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
3. 請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   前記観察範囲（１２５）が境界（１３５）の方位によって異なっている、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   前記結像素子（１１５）が前記光検出器（１１０）の様々な範囲（１５０）に結像する、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   前記結像素子（１１５）が結像する前記光検出器（１１０）の範囲が重なり、いずれか１つの観察範囲（１２５）を遮光するための制御可能な絞り（１４０）が設けられている、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）において、
   結像素子（１１５）の複数の光路にそれぞれ１つの光学式の帯域フィルタ（１４５）が設けられており、帯域フィルタ（１４５）の帯域幅および／または中心波長が異なっている、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
7. 自動車で使用するためのＬＩＤＡＲ式走査装置システム（１００）であって、
   物体（１２０）に光を送信するための光源（１０５）と、
   物体（１２０）によって反射された光を受信するための光検出器（１１０）と、
   複数の光学結像素子（１１５）であって、いずれか１つの光学結像素子を物体（１２０）と光検出器（１１０）との間の光路に配置することができる光学結像素子と、
   を含むＬＩＤＡＲ式走査装置システム（１００）において、
   前記光学結像素子（１１５）が、テーパ型光学系を含み、
   前記光学結像素子（１１５）が様々な観察範囲（１２５）を備える、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置（１００）。
8. 請求項７に記載のＬＩＤＡＲ式走査装置システム（１００）において、
   同時に複数の光学結像素子（１１５）を光路に配置することができる、
   ＬＩＤＡＲ式走査装置システム（１００）。

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