JP6993420B2 - 物体を検知するライダーセンサ - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の冒頭部に記載のライダーセンサ及びライダーセンサを駆動制御する方法に関する。

従来技術では、例えば車両の周辺環境における走査空間内の物体を検知することを可能とする様々なセンサ装置が知られている。このようなセンサ装置として、車両の周辺環境を走査するライダー（LIDAR: Light Detection and Ranging）センサが挙げられる。ライダーセンサによって放出された電磁放射は、周辺環境の物体によって反射され又は散乱し、ライダーセンサの受光器が受ける。この受けた放射を用いて、周辺環境の物体の位置及び距離を決定することが可能である。

独国特許出願公開第１０２００８０５５１５９号明細書に開示された装置は、回転する微小機械ミラーによって向け直されたレーザビームを用いるレーザ走査によって、検出フィールドにおけるこの装置の周辺環境のジオメトリを記録する。ここでは、垂直方向及び水平方向における検出フィールドを、微小機械ミラーの振動振幅及び／又は振動周波数の調整によって予め設定することが可能である。

車両の特定の場所内又はこの特定の場所の近傍にライダーセンサを取り付けるためには、既に公知の解決策よりも体積が小さく又は高さが小さいライダーセンサが好都合であろう。さらに、特に車両内での利用のための、機械的に堅牢なライダーセンサに対する需要が存在する。

本発明は、周辺環境の物体を検知するライダーセンサであって、電磁放射を放出するための少なくとも１つの光源と、放出された電磁放射を少なくとも１つの角度で周辺環境へと偏向させるための偏向ミラーと、物体により反射された電磁放射を受けるための受光器と、受けた電磁放射を受光器へと向け直すためのミラーと、を備えたライダーセンサに関する。ミラーは孔を有しており、この孔は光源の主光軸上に配置している。

本発明によれば、偏向ミラーは、微小機械偏向ミラーとして構成する。

偏向ミラーは、振動型の微小機械偏向ミラーとして構成することができる。この偏向ミラーは、静的な微小機械偏向ミラーとして構成してもよい。

このミラーは、放出される電磁放射のビーム路の、光源と偏向ミラーとの間に配置することができる。ミラーは、受ける電磁放射のビーム路において、偏向ミラーと受光器との間に配置してもよい。

偏向ミラーは、軸に沿った振動態様で動かすことができる。偏向ミラーは、軸に沿って静的に動かせてもよい。この場合は、一次元の偏向ミラーが関わっている。代替的には、偏向ミラーは、２つの軸に沿った振動態様で動かすこともできる。代替的には、偏向ミラーは、２つの軸に沿って静的に動かすこともできる。この場合は２次元の偏向ミラーが関わっている。

本発明の利点は、設置体積が小さく、特に高さが低いライダーセンサが実現可能であることにある。偏向ミラーに入射する放出される電磁放射と、偏向ミラーに入射する受けた電磁放射と、の双方が小さいビーム直径を有しても良い。これにより、走査周波数が対応して高いコンパクトな偏向ミラーが利用可能である。機械的に十分に堅牢なライダーセンサを実現することができる。孔を有するミラーによって、放出される電磁放射のビーム路と、受けた電磁放射のビーム路と、を互いに同軸にすることができる。放出される電磁放射のビーム路及び受ける電磁放射のビーム路における光学的損失を最大限に回避することができる。特に、受けた電磁放射を、ミラーによって、最大限に損失を防いで受光器へ向け直すことができる。ライダーセンサは、十分に大きく十分に感度が高い受光器を備えても良い。

本発明の有利な構成においては、光源によって主光軸に沿って放出された電磁放射が、偏向される放出された電磁放射として、偏向ミラーによって、少なくとも１つの角度で周辺環境へと偏向されることを提供し、少なくとも１つの角度は偏向ミラーの方向付けに依存する。

本発明の他の有利な構成において、ライダーセンサが微小光学素子のフィールドを更に有する構成を提供する。偏向ミラー及びフィールドは、少なくとも１つの角度が正確に１つの微小光学素子に対応付けられるように配置する。各素子には、様々な値の複数の角度を対応付けても良い。

本発明の好適な構成において、ライダーセンサは、微小光学素子のフィールドと間隔を取って配置した集光素子を更に有する。各微小光学素子は、偏向された放出された電磁放射が入射した場合には、当該偏向された放出された電磁放射を広げて発散ビームとする。集光素子は、発散ビームを走査ビームに変える。本構成の利点は、放出される電磁放射の総出力が高い場合にも、目の安全性を保障することができることにある。走査ビームのビーム直径は、人間の目の瞳孔径よりも大きくしても良い。散乱粒子に対する感度が低く保つことができる。

偏向ミラーで偏向された放出された電磁放射は、周辺環境を直接的には走査せず、微小光学素子のフィールドを走査する。走査ビームが照射される方向は、集光素子の光軸に対して相対的な、各入射した微小光学素子の位置に依存する。従って、ライダーセンサの開口角は、電磁放射が偏向ミラーにおいて最大限で偏向される角度よりもかなり大きくすることができる。このようにして、大きな開口角による走査が可能となる。

本発明の他の好適な構成においては、提供する微小光学素子は、微小レンズ又は反射素子又は回折素子である。

集光素子は、その焦点面の範囲内に微小光学素子のフィールドが存在する光学レンズとしても良い。これにより、発散ビームを、ビームがほぼ平行な走査ビームに変える。代替的には、このレンズの代わりに凹面鏡も考えられる。

本発明の更なる別の好適な構成においては、提供する集光素子は、同時に受光器の対物レンズを形成する。これにより、受けた電磁放射が、放出された電磁放射と同軸上に存在することを可能にする。これにより、受けた電磁放射の評価の際に、矛盾してみえるエラーを考慮する必要がない。偏向ミラーと受光器との間の、受けた電磁放射のビーム路に配置したミラーによって、受けた電磁放射を受光器へ向け直すことが可能である。

本発明の他の好適な構成において、集光素子の光軸上には、偏向された放出された電磁放射を微小光学素子のフィールドへ向け直すミラーユニットを配置することを提供する。このミラーユニットを用いて、同様に、受けた電磁放射を偏向ミラーへ向け直すことが可能である。本構成の利点は、ライダーセンサのビーム路が調整可能であることにある。

本発明の特に好適な構成においては、ミラーユニットを凸面状に形成することを提供する。本構成の利点は、収差を補償できることにある。

本発明の他の構成において、受光器が２つ以上の検出素子を有し、この２つ以上の検出素子は、行列状に又はマトリックスとして配置することを提供する。本構成の利点は、受けた電磁放射の位置及び出力を用いて、周辺環境で検知した物体の測定した距離の妥当性の検証を行えることにある。この可能性は、偏向ミラーが、電磁放射の通過時間によって受けた電磁放射のシフトを起こさせることから生ずる。

さらに、本発明に基づいて、周辺環境の物体を検出するためのライダーセンサを駆動制御する方法を請求する。本方法は、以下のステップ、即ち、電磁放射を放出するための光源を、ミラーの孔によって駆動制御するステップと、放出された電磁放射を少なくとも１つの角度で周辺環境へと偏向させるための偏向ミラーを駆動制御するステップと、物体により反射された電磁放射を受光器により受けるステップと、を有する。本方法では、偏向ミラーを、微小機械偏向ミラーとして形成する。

本発明の構成において、偏向ミラーを駆動制御するステップは、少なくとも１つの角度が、偏向された放出された電磁放射をフィールドの正確に１つの微小光学素子に入射させるように行われることを提供する。

以下では、本発明の２つの実施例を添付の図面を用いてより詳細に解説する。
本発明に係るライダーセンサの概略図を示す。 他の実施形態に係るライダーセンサの概略図を示す。

図１に示すライダーセンサは、光源１０１としてレーザを有し、このレーザは、スペクトルの可視領域の電磁放射１０５を放出し、又は選択的に赤外領域の電磁放射１０５も放出する。ライダーセンサは、ミラー１０３を更に有する。このミラー１０３は、その鏡面の中心に孔１０７を有する。ミラー１０３は、ライダーセンサの光源１０１と偏向ミラー１０４との間に配置されている。ミラー１０３は、孔１０７が光源１０１の主光軸１０８上に位置するように配置される。光源１０１により主光軸１０８に沿って放出された電磁放射１０５は、最大限に損失を防いで、孔１０７を通して偏向ミラー１０４へと向けられる。

偏向ミラー１０４は、微小機械偏向ミラーである。両方向矢印で示唆するように、偏向ミラー１０４は、軸に沿って振動して動かすか又は静的に動かす。さらに、偏向ミラー１０４は、第１の軸に対して直交する第２の軸を中心として、振動して動かすか又は静的に動かすことが可能である。偏向ミラー１０４は、放出された電磁放射１０５を、偏向される放出された電磁放射１０５－１として、周辺環境へと偏向させる。この場合、偏向ミラー１０４の駆動制御は、放出された電磁放射１０５が、少なくとも１つの角度の第１の方向付けにおいては、偏向される放出された電磁放射１０５－１として周辺環境へと偏向されるように行われる。図１では、上記１つの角度１０９をマークで示している。偏向ミラーの第２の方向付けにおいては、放出された電磁放射１０５を、偏向される放出された電磁放射１０５－１として、第１の角度とは異なる少なくとも１つの他の角度で周辺環境へと偏向させることが可能である。

偏向された放出された電磁放射１０５－１が、周辺環境において物体に当たった場合には、電磁放射は、物体によって反射され及び／又は散乱する。反射され及び／又は散乱した電磁放射１０６は、ライダーセンサが受ける。電磁放射１０６は、偏向ミラー１０４及び上述のミラー１０３を介して、受光器１０２に入射する。ミラー１０３は、偏向ミラー１０４と受光器１０２との間の、受けた電磁放射のビーム路に沿って配置している。受光器１０２は、例えば行列状に又はマトリックスとして配置した検出素子を有する。

図２は、他の実施形態に係るライダーセンサを示している。本ライダーセンサでは、光源１０１によって主光軸１０８に沿って、最大限に損失が防止された状態で、孔１０７を通してライダーセンサの偏向ミラー１０４へと向けられて放出された電磁放射１０５を、偏向ミラー１０４によって、偏向された放出された電磁放射１０５－１として、微小光学素子２０３のフィールド２０２へと案内する。微小光学素子として、本例では、回折素子２０３を設けている。しかしながら、任意に、屈折素子又は反射素子を設けてもよい。

放出された電磁放射１０５を、偏向された放出された電磁放射１０５－１としてその分だけ偏向する少なくとも１つの角度は、厳密に１つの微小光学素子２０３－１、２０３－２に対応付けている。図２に示した角度１０９は、微小光学素子２０３－１に対応付けている。各要素２０３には、様々な値の複数の角度を対応付けることが可能である。例えば、放出された電磁放射１０５が、偏向ミラー１０４によって、角度１０９の値とその値が僅かに異なる角度で偏向された場合には、偏向された放出された電磁放射１０５－１は、同様に、微小光学素子２０３－１に入射する。角度１０９の値と他の偏向角度の値との差が所定値を超えた場合には、偏向された放出された電磁放射１０５－１は、例えば隣の微小光学素子２０３－２に入射する。

回折素子２０３のうち、偏向された電磁放射１０５－１が入射した回折素子２０３は、偏向された放出された電磁放射１０５－１を広げて発散ビーム２０５とする。この発散ビーム２０５が、レンズ２０４の形態の集光素子に入射する。フィールド２０２とレンズ２０４との間の間隔ｙは、レンズ２０４の焦点距離にほぼ対応している。レンズ２０４によって、発散ビーム２０５を、ほぼ平行な走査ビーム２０６に変える。走査ビーム２０６のビーム直径は、放出された電磁放射１０５のビーム直径よりも大きい。走査ビーム２０６のビーム直径は、偏向された放出された電磁放射１０５－１のビーム直径よりも大きい。

走査ビーム２０６照射方向は、集光素子２０４の光軸に関して、偏向された放出された電磁放射１０５－１が入射した微小光学素子２０３の位置に依存する。このように、偏向ミラー１０４が直接的に、走査ビーム２０６の偏向ももたらす。走査ビーム２０６は、ライダーセンサの周辺環境をカバーする。走査ビーム２０６がカバーする角度範囲は、レンズ２０４の焦点距離に依存する。この角度範囲は、偏向ミラー１０４が動かされる角度範囲の二倍よりもかなり大きくすることができる。

偏向ミラー１０４とフィールド２０２との間には、他のミラーユニット２０１を設けている。ミラーユニット２０１は、フィールド２０２と間隔ｘを置いて配置している。この他のミラーユニット２０１は、凸面ミラーとして、収差を補償するよう構成する。ミラーユニット２０１は、偏向ミラー１０４により偏向された電磁放射１０５を、この電磁放射１０５がレンズ２０４の光軸に沿ってフィールド２０２に入射するように向け直す。

Claims (9)

1. 周辺環境の物体を検知するライダーセンサであって、
   電磁放射を放出するための光源（１０１）と、
   放出された前記電磁放射（１０５）を少なくとも１つの角度（１０９）で前記周辺環境へと偏向させるための偏向ミラー（１０４）と、
   前記物体により反射された電磁放射（１０６）を受けるための受光器（１０２）と、
   受けた前記電磁放射（１０６）を前記受光器（１０２）へ向け直すためのミラー（１０３）であって、前記ミラー（１０３）は孔（１０７）を有する、前記ミラー（１０３）と、
   を備え、
   前記孔（１０７）が前記光源（１０１）の主光軸（１０８）上に配置された、前記ライダーセンサにおいて、
   前記偏向ミラー（１０４）を微小機械偏向ミラーとして構成し、
   前記ライダーセンサは、微小光学素子（２０３－１、２０３－２）のフィールド（２０２）を更に有し、
   前記偏向ミラー（１０４）及び前記フィールド（２０２）は、前記少なくとも１つの角度（１０９）が、正確に１つの微小光学素子（２０３－１、２０３－２）に対応付けられるように配置され、
   放射された前記電磁放射（１０５）が、前記偏向ミラー（１０４）によって、前記少なくとも１つの角度（１０９）で偏向された場合には、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）は、前記少なくとも１つの角度（１０９）が対応付けられている微小光学素子（２０３－１）に入射され、前記少なくとも１つの角度（１０９）の値と他の偏向角度の値との差が所定値を超える場合には、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）は、前記微小光学素子（２０３－１）に隣接して設けられた微小光学素子（２０３－２）に入射され、
   前記ライダーセンサは、前記微小光学素子（２０３－１、２０３－２）の前記フィールド（２０２）と間隔（ｙ）を取って配置した集光素子（２０４）を更に有し、
   各前記微小光学素子（２０３－１、２０３－２）は、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）が入射した場合には、該偏向された放出された電磁放射（１０５－１）を広げて発散ビーム（２０５）とし、
   前記集光素子（２０４）は、前記発散ビーム（２０５）を走査ビーム（２０６）に変えること
   を特徴とする、ライダーセンサ。
2. 前記光源（１０１）によって前記主光軸（１０８）に沿って放出された前記電磁放射（１０５）は、偏向された放出された電磁放射（１０５－１）として、前記偏向ミラー（１０４）によって前記少なくとも１つの角度（１０９）で前記周辺環境へと偏向され、前記少なくとも１つの角度は前記偏向ミラーの方向付けに依存することを特徴とする、請求項１に記載のライダーセンサ。
3. 前記微小光学素子（２０３－１、２０３－２）は、微小レンズ又は反射素子又は回折素子であることを特徴とする、請求項１または２に記載のライダーセンサ。
4. 前記集光素子（２０４）は同時に、前記受光器（１０２）の対物レンズを形成することを特徴とする、請求項１に記載のライダーセンサ。
5. 前記集光素子（２０４）の光軸上には、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）を微小光学素子（２０３－１、２０３－２）の前記フィールド（２０２）へ向け直すミラーユニット（２０１）を配置したことを特徴とする、請求項１または４に記載のライダーセンサ。
6. 前記ミラーユニット（２０１）を凸面状に形成したことを特徴とする、請求項５に記載のライダーセンサ。
7. 前記受光器（１０２）は２つ以上の検出素子を有し、前記２つ以上の検出素子は、行列状に又はマトリックスとして配置したことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載のライダーセンサ。
8. 周辺環境の物体を検出するためのライダーセンサを駆動制御する方法であって、
   電磁放射（１０５）を放出するための光源（１０１）を、ミラー（１０３）の孔（１０７）によって駆動制御するステップと、
   放出された前記電磁放射（１０５）を少なくとも１つの角度（１０９）で前記周辺環境へと偏向させるための偏向ミラー（１０４）を駆動制御するステップと、
   前記物体により反射された電磁放射（１０６）を受光器（１０２）により受けるステップと、
   を含む前記方法において、
   前記偏向ミラー（１０４）を微小機械偏向ミラーとして形成し、
   前記ライダーセンサは、微小光学素子（２０３－１、２０３－２）のフィールド（２０２）を更に有し、
   前記偏向ミラー（１０４）及び前記フィールド（２０２）は、前記少なくとも１つの角度（１０９）が、正確に１つの微小光学素子（２０３－１、２０３－２）に対応付けられるように配置され、
   放射された前記電磁放射（１０５）が、前記偏向ミラー（１０４）によって、前記少なくとも１つの角度（１０９）で偏向された場合には、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）は、前記少なくとも１つの角度（１０９）が対応付けられている微小光学素子（２０３－１）に入射され、前記少なくとも１つの角度（１０９）の値と他の偏向角度の値との差が所定値を超える場合には、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）は、前記微小光学素子（２０３－１）に隣接して設けられた微小光学素子（２０３－２）に入射され、
   前記ライダーセンサは、前記微小光学素子（２０３－１、２０３－２）の前記フィールド（２０２）と間隔（ｙ）を取って配置した集光素子（２０４）を更に有し、
   各前記微小光学素子（２０３－１、２０３－２）は、前記偏向された放出された電磁放射（１０５－１）が入射した場合には、該偏向された放出された電磁放射（１０５－１）を広げて発散ビーム（２０５）とし、
   前記集光素子（２０４）は、前記発散ビーム（２０５）を走査ビーム（２０６）に変えること
   を特徴とする、方法。
9. 前記偏向ミラー（１０４）を駆動制御するステップは、前記少なくとも１つの角度（１０９）が、偏向された前記放出された電磁放射（１０５）をフィールド（２０２）の１つの微小光学素子（２０３－１、２０３－２）に正確に入射させるように行われることを特徴とする、請求項８に記載のライダーセンサを駆動する方法。

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