JP7035085B2 - 簡素化された検出を備えたｌｉｄａｒ装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのビームで走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置、およびＬＩＤＡＲ装置の作動方法に関する。

ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）装置は、光またはレーザビームを生成し、続いてこれらを偏向する。ビームによって、走査領域に及ぶ規定された垂直および水平走査角が定義される。このため、ビーム源はしばしば固定して配置されている。生成ビームは、回転軸を中心に回転可能な偏向ユニットに向けられ、そこで旋回可能なミラーによって走査領域の方向に制御されて偏向される。続いて、物体で反射したビームは、受信光学系によって受信され、検出器に向けられる。反射ビームの空間分解を可能にするために、固定検出器は回転対称に形成することができる。ここで、受信されたビームは、回転対称に形成された検出器の異なる検出セルに向けられる。通常、そのような検出器は、複数の検出セルを備えた同心リングの形状で実施される。あるいは、例えばＣＭＯＳセンサなどの矩形状に形成された検出器を使用することができ、そのようなセンサの検出ビームの評価は煩雑である。したがって、ＬＩＤＡＲ装置の検出器は通常、複雑に構築または形成されているか、複雑な評価方法によって評価される必要がある。

本発明の課題は、減少した回転質量および減少した検出器サイズで走査領域を走査するための方法およびＬＩＤＡＲ装置を提案することである。

この課題は、独立形式請求項の各対象により解決される。本発明の有利な形態は、各引用形式請求項の対象である。
本発明の一態様によれば、少なくとも１つのビームで走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つのビームを生成するための少なくとも１つのビーム源と、少なくとも１つの生成ビームを走査領域の方向に偏向させるミラーとを有する。さらに、ＬＩＤＡＲ装置は、物体で反射した少なくとも１つのビームを検出器の領域に偏向するための検出器ミラーを有し、ミラーおよび検出器ミラーは、ロータを介して垂直回転軸を中心に回転可能であり、検出器ミラーは、少なくとも１つの反射ビームを検出器に集束する。

これによって、後方散乱された、またはＬＩＤＡＲ装置へ反射されたビームは、検出器ミラーによって異なる入射方向から検出器に向けられ集束される。少なくとも１つのビームを生成し、続いて生成ビームの反射を検出することにより、走査領域をパルス走査できる。ここで、生成された各ビームは、走査領域の一部を点状に、または面状に露光するために使用される。続いて、少なくとも１つの反射ビームは、検出器ミラーによって検出器に集束される。続いて、このプロセスが再び開始され、ミラーは生成ビームを走査領域の他の部分領域に向ける。検出器は、少なくとも１つの反射ビームとその強度を検出するように構成されている。反射ビーム発生元に関する情報は、検出器によって特定されず、ミラーまたは露光部分領域の方向に基づいて、後から検出されたビームに指定される。これによって、ＬＩＤＡＲ装置の空間分解は、検出器によってではなく、ミラーまたは偏向ユニットの方向と組み合わせたビーム源によって置き換えることができる。例えば、レーザースポットまたはパルス状ビームをミラーに向けることができ、ミラーは、例えば振動マイクロミラー（ＭＥＭＳ）とすることができる。ビーム源のパルス周波数と、ミラーの振動周波数とにより、任意の垂直解像が可能になる。ここで、全ての反射ビームは検出器に向けられる。反射ビームが検出器全体に集束されることにより、検出器で反射ビームが検出される場所は重要でない。それにより、検出器は技術的に簡単に実施でき、検出器の測定信号の評価は簡素化できる。検出器によって検出された測定信号は、例えば、ミラーの方向と、それによって特定される少なくとも１つの生成されたビームの放射方向に応じて、走査領域の露光部分領域に割り当てることができる。したがって、走査領域は、例えばインターレース法などの形で蛇行状に、段階的にまたは連続的に露光することができる。検出器ミラーおよび生成ビームを偏向するためのミラーは、例えば、ロータによって駆動されるか、またはロータの一部として回転可能にすることができる。これら２つの構成要素のみがロータに配置されているため、ロータの回転質量は小さくなる。さらに、ロータへのおよびロータからの（双方向の）数本の導電線のみが必要である。

ＬＩＤＡＲ装置の一実施例によれば、検出器ミラーは、後方放射領域の反射ビームを検出器に集束させる。これによって、反射ビームを後方放射領域から検出器に向けることができる。好ましくは、後方放射領域は、ＬＩＤＡＲ装置の走査領域に対応する。ここで特に、検出器による反射ビームの局所的な割り当てまたは分解がなくなったため、検出器をより小さく実施することができる。

ＬＩＤＡＲ装置の一実施例によれば、検出器ミラーは焦点距離を有し、検出器は検出器ミラーの焦点に配置されている。この場合、検出器ミラーは、その焦点において全ての反射ビームを結像するように置かれている。

したがって、全ての反射ビームは、検出器ミラーによって１つの点で、または検出器の規定領域に局所的に集中させて結像することができる。検出器ミラーの焦点に検出器を位置づけることにより、検出器を非常に小さく実施することができる。

ＬＩＤＡＲ装置の他の実施例によれば、検出器は点検出器として実施されている。反射ビームは、検出器ミラーによる反射ビームの入射角に関係なく焦点に非常に集中して結像されるため、検出器は、例えばアバランシェフォトダイオードなどの点検出器として実施することができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる実施例によれば、ミラーは、水平回転軸を中心に旋回可能である。水平回転軸を中心に旋回することにより、ミラーは生成ビームを垂直角に沿って偏向できる。これによって、連続的または段階的に、垂直走査角を少なくとも１つの生成ビームによって段階的に露光または走査することができる。ここで、ミラーは任意の周波数で振動し、生成ビームを垂直走査領域に沿って走査領域の方向に偏向できる。ミラーはロータ上に配置されているため、垂直回転軸を中心とした重なった回転運動により、少なくとも１つのビームを任意の水平走査角に向けることもできる。ここで、水平走査角および垂直走査角は、走査領域に及ぶ。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる実施例によれば、水平回転軸を中心に旋回可能な固定ミラーは、生成された少なくとも１つのビームを、垂直回転軸を中心に回転可能なミラーに偏向する。ここで、水平回転軸を中心に旋回可能なミラーは、固定して、またはロータの外側に配置され、少なくとも１つの生成ビームを、異なる角度で、ロータ上に受動的に配置され、ロータによる垂直回転軸を中心とした回転または旋回運動を実行できるミラーに向ける。したがって、検出器ミラー隣のロータには、受動ミラーのみが位置付けられている。これによって、エネルギやデータ伝送を必要としない受動部品のみがロータに配置されている。したがって、ロータは技術的により簡単に実施され、エラーの影響を受けづらい。固定ミラー、特に垂直回転軸を中心に回転不可能なミラーは、水平回転軸を中心とした旋回運動によって水平走査角に沿って少なくとも１つのビームを偏向し、ロータ上に位置する受動ミラーを介して走査領域を露光させることができる。

ＬＩＤＡＲ装置のさらなる実施例によれば、少なくとも１つの光学素子が、少なくとも１つの偏向ビームを、垂直回転軸を中心に回転可能な受動ミラーを介して案内する。これによって、生成ビームは、固定配置され水平回転軸を中心に旋回可能であるミラーによって偏向でき、最適にロータ上に配置された受動ミラーに案内できる。ここで特に、受動ミラーを最適に照明することができ、例えば受動ミラーに当たらない生成ビームによる損失を減らすことができる。光学素子は、例えば、部分的にロータ上に配置され、部分的に固定配置できるレンズシステムであってもよい。

ＬＩＤＡＲ装置のさらに好ましい実施例によれば、検出器ミラーは自由形状ミラーである。検出器ミラーは、ＬＩＤＡＲ装置の形状と使用範囲とに適合させることができる。特に、装置内の考えられる空間状態に基づいて、検出器ミラーは適合した曲率と形状を有するため、全ての反射ビームは、入射角に関係なく、常に１つの点で、または少なくとも面積が制限された領域で集束することができる。この場合、検出器ミラーは、好ましくはロータ上に配置され、例えば放物面ミラーとして実施することができる。したがって、検出器をロータの外側に固定して設置し、小型または点状に実施することができる。このために、検出器と検出器ミラーは、垂直回転軸上で互いに対向して配置されているように位置づける必要がある。

本発明の他の態様によれば、少なくとも１つのビームで走査角を走査するためのＬＩＤＡＲ装置の作動方法が提供される。１つのステップで、少なくとも１つのビームが生成される。

続いて、少なくとも１つの生成ビームは、水平走査角および垂直走査角に沿って偏向され、少なくとも１つの物体上で反射したビームは、検出器ミラーによって検出器に集束される。

ここで、少なくとも１つの生成ビームは、ロータ上に配置されたミラーによって、水平走査角に沿って連続的または段階的に偏向することができる。検出器ミラーは、同様にロータに配置されている。検出器ミラーは、曲面または成形されたミラー表面を有する。検出器ミラーは、例えば放物面ミラーなどの自由形状ミラーであることが好ましい。したがって、検出器ミラーは、反射した入射ビームを偏向させ、反射ビームが常に検出器の規定された検出器表面に当たるように集束させることができる。これは、反射ビームの入射角とは関係なく行われることが好ましい。この方法によれば、それぞれのビームはパルス形状で生成され、ミラーの垂直および水平偏向によって走査領域へ送信される。後続の反射ビームは検出器に導かれ、そこで検知される。このプロセスは、ミラーの様々な偏向に対して任意で繰り返すことができる。これによって、検出器は反射ビームの検知または検出のタスクのみを実行する。ミラーの偏向によって、走査領域の場所または明確に露光された部分領域に関する情報を、反射および検出されたビームに指定することができる。これによって、検出器と検出器の評価の複雑さを減らすことができる。さらに、そのような検出器は、より小さく、またはよりコンパクトに実施することができる。

本方法の実施例によれば、後方放射領域からの各反射ビームは、検出器に正確に集束される。ここでは、全ての反射ビームが１つの点に集束する。好ましくは、この点は、検出器ミラーの焦点であり得る。したがって、検出器は点検出器として実施することができる。例えば、検出器はアバランシェフォトダイオードであってもよい。

以下に、本発明の好ましい実施例を、非常に簡略化された概略図を用いて詳述する。

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装置の概略図である。 第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置の作動方法である。

図において、同じ構成要素はそれぞれ同じ参照番号を有する。
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、パルスビーム３を生成するためのビーム源２を有する。実施例にかかるビーム源２は、規定のパルス持続時間を有するレーザビーム３を所定の時間間隔で生成する赤外線レーザ２である。生成ビーム３は、水平回転軸Ｖと完全に一致するように生成され、水平回転軸Ｈを中心に旋回可能なミラー４に放射される。ミラー４は、垂直回転軸Ｖを中心に回転可能なロータ６上に位置づけられ、生成ビーム３を走査領域に偏向するか、または生成ビーム３をＬＩＤＡＲ装置１から放射する。

ロータ６は、図示しない駆動機構を介して連続的または段階的に回転する。ミラー４の旋回およびロータ６の回転を駆動制御するために、導電線に加えてデータ線８が設けられている。データ線８は、ミラー４、ロータ６、検出器１０および評価ユニット１２に接続されている。さらに、検出器ミラー１４がロータ６上に配置されている。実施例によれば、検出器ミラー１４は放物面ミラー１４である。検出器ミラー１４は、反射ビーム１３が１つの焦点に集束するように、異なる入射方向から物体１６で反射するビーム１３を反射することができる。焦点は、検出器ミラー１４の焦点距離に対応する検出器ミラー１４から隔たりがある。検出器１０は、同様に検出器ミラー１４の焦点距離に対応する距離を有する。特に、検出器１０の検出器表面は、検出器ミラー１４の焦点に位置する。検出器１０は、実施例によれば、アバランシェフォトダイオードの形態の点検出器である。検出器ミラー１４の焦点がロータ６の方向に依存しないためには、検出器ミラー１４の焦点と検出器１０の検出器表面とは垂直回転軸Ｖ上に位置する必要がある。

垂直回転軸Ｖおよび水平回転軸Ｈは、便宜上、図中のＬＩＤＡＲ装置１の方向および位置づけに関する呼び方であり、必ずしも垂直または水平に延びる必要はない。むしろ、これらの回転軸は、ＬＩＤＡＲ装置１の位置づけに応じて反対にするか、斜めに配置することができる。しかしながら、垂直回転軸Ｖと水平回転軸Ｈとは常に互いに直交して配置されている。

パルス生成ビーム３は、走査領域の異なる部分領域におけるその偏向およびロータ６の位置に応じて、ミラー４によって放射される。続いて、生成ビーム３の反射ビーム１３は、検出器１０によって検知できる。ここで、検出器１０は、反射ビームの１つの強度のみを特定し、それを電気測定信号として評価ユニット１２に転送することができる。評価ユニット１２は、検出された反射１３に属する生成ビーム３のミラー４およびロータ６の位置を特定する。これらの情報に基づいて、検出されたビームに位置依存性を指定し、走査領域の部分領域を識別することができる。

図２は、第２の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。第１の実施例とは異なり、ＬＩＤＡＲ装置１は、ロータ６の外側に固定配置された旋回可能なミラー１８を有する。旋回可能なミラー４ａは、実施例によれば受動的に実施され、ロータ６上の規定位置に配置されている。したがって、ロータ６の考え得る構成要素を連結する電力線およびデータ線を省略でき、ＬＩＤＡＲ装置１を技術的に簡素化できる。

固定配置されたミラー１８は、ビーム源２によって生成ビーム３を、ロータ６に位置付けられた受動ミラー４ａに向ける。ミラー１８を旋回させることにより、生成ビーム３は受動ミラー４ａの異なる領域へ向けられる。これによって、生成ビーム３の受動ミラー４ａへの入射角は、ミラー１８によって変化する。生成ビーム３の入射角に応じて垂直走査角が広がるか、または走査領域がミラー１８の旋回に応じてその垂直範囲で露光される。本実施例によれば、旋回可能なミラー１８は、水平回転軸Ｖ上のビーム源２に代わって、ロータ６上の受動ミラー４ａに対向して配置されている。破線はミラー１８の代替的な偏向を示し、対応して変更された生成ビーム３および反射ビーム１３のビーム経路を示している。

図３は、第３の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の概略図を示す。第２の実施例とは異なり、ＬＩＤＡＲ装置１は、ここでは追加の光学素子２０を有する。光学素子２０は、受動ミラー４ａと旋回可能なミラー１８との間のロータ６上に配置されている。光学素子２０は、ビーム案内要素として機能し、旋回可能なミラー１８によって受動ミラー４ａに向けられる生成ビーム３を偏向する。特に、光学素子２０は、生成ビーム３を補正し、生成ビーム３の受動ミラー４ａへのビーム経路を最適化するために機能する。

図４は、第１の実施例にかかるＬＩＤＡＲ装置１の作動方法２２を示している。少なくとも１つのビーム３が生成２４され、ビーム源２から旋回可能なミラー４上に放射される。生成ビーム３は、旋回可能なミラー４によって、垂直走査角に沿って偏向２６される。ミラー４はロータ６に配置されているため、生成ビーム３も水平角に沿って偏向２６される。走査領域に放射されたビーム３が物体１６または障害物に当たると、生成ビーム３の少なくとも一部が反射ビーム１３としてＬＩＤＡＲ装置に戻るように反射２８される。反射ビーム１３は検出器ミラー１４によって受光され、集束されて検出器１０に偏向３０される。生成ビーム３の偏向２６時におけるミラー４とロータ６の方向に基づいて、検出３０されたビームに、評価ユニット１２による走査領域の局所的な分解または規定範囲を指定３２することができる。

Claims (7)

1. 走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、少なくとも１つのビーム（３）と、前記少なくとも１つのビーム（３）を生成するための少なくとも１つのビーム源（２）と、前記少なくとも１つの生成ビーム（３）を前記走査領域の方向に偏向するためのミラー（４）と、物体（１６）で反射した前記少なくとも１つのビーム（３）を、点検出器として構成された検出器（１０）の規定された１つの点に偏向させるための検出器ミラー（１４）とを備え、前記ミラー（４）および前記検出器ミラー（１４）が、ロータ（６）を介して垂直回転軸（Ｖ）を中心に回転可能であり、前記検出器ミラー（１４）が、少なくとも１つの反射ビーム（１３）を前記検出器（１０）の前記規定された１つの点に集束し、前記ミラー（４）が、前記垂直回転軸（Ｖ）と直交する水平回転軸（Ｈ）を中心に旋回可能であり、前記検出器ミラー（１４）が焦点距離を有し、前記検出器（１０）が前記検出器ミラー（１４）の焦点に配置され、前記検出器ミラー（１４）の焦点と前記検出器（１０）における前記規定された１つの点とは前記垂直回転軸（Ｖ）上に位置し、前記ロータ（６）には、前記ミラー（４）と、前記検出器ミラー（１４）とを含む受動部品のみが配置されていることを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
2. 前記検出器ミラー（１４）が、後方放射領域の反射ビーム（１３）を前記検出器（１０）の前記規定された１つの点に集束させる、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
3. 水平回転軸（Ｈ）を中心に旋回可能なミラー（１８）が、前記装置の固定部分に取り付けられ、前記少なくとも１つの生成ビーム（３）を、前記垂直回転軸（Ｖ）を中心に回転可能な前記ミラー（４ａ）に偏向する、請求項１または請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
4. 少なくとも１つの光学素子（２０）が、前記少なくとも１つの偏向ビーム（３）を、前記垂直回転軸（Ｖ）を中心に回転可能な前記ミラー（４ａ）を介して案内する、請求項３に記載のＬＩＤＡＲ装置。
5. 前記検出器ミラー（１４）が自由形状ミラーである、請求項１～４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
6. 少なくとも１つのビーム（３）で走査角を走査するための請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置（１）の作動方法（２２）であって、
   － 少なくとも１つのビーム（３）が生成され（２４）、
   － 前記少なくとも１つのビーム（３）が、水平走査角および垂直走査角に沿って偏向され（２６）、
   － 物体（１６）で反射する少なくとも１つのビーム（１３）が検出器ミラー（１４）によって、点検出器として構成された検出器（１０）の規定された１つの点に集束される（３０）、
   方法。
7. 後方放射領域からの各反射ビーム（１３）が、前記検出器（１０）に正確に集束される、請求項６に記載の方法。

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