JP7074875B2 - Ｌｉｄａｒ測定システム - Google Patents

Description

本発明は、ＬＩＤＡＲ受信ユニットを有するＬＩＤＡＲ測定システムに関する。

ＬＩＤＡＲ測定システムはＷＯ ２０１７ ０８１ ２９４で知られている。このＬＩＤＡＲ測定システムは、特に、送信ユニット、送信光学系、受信光学系及び受信ユニットを有している。レーザ光は、送信ユニットの一つ又は複数のエミッタ素子から出射され、送信光学系を介して異なる空間方向に散乱する。その後、レーザ光は対象物で反射され、受信光学系を介して受信ユニットへ導かれる。入射する反射レーザ光はセンサ素子によって検出される。このシステムの利点は、コンパクトな方法でシステムを構築することができ、且つ、システムが静的であること、即ちエミッタ素子及びセンサ素子に何らかの可動調整要素を必要としないことである。

ここでの目的は、入射するレーザ光を可能な限り最適に検出することができるように、このようなＬＩＤＡＲ測定システム、特にそのＬＩＤＡＲ受信ユニットを改善することである。

この目的は、請求項１に係るＬＩＤＡＲ測定システムによって達成される。後続する従属請求項は好ましい実施形態を構成している。

ＬＩＤＡＲ測定システムの基本構造は、従来技術に関する説明に従って構成される。ＬＩＤＡＲ測定システムは、ＬＩＤＡＲ送信ユニット及びＬＩＤＡＲ受信ユニットを備える。更に、ＬＩＤＡＲ測定システム及びその構成要素は、自動車両上に静的に配置されるように、即ち不動に配置されるように設けられることが好ましい。これは、ＬＩＤＡＲ測定システム及びその構成要素が測定プロセスのための積極的可動性／調整機構、例えば電動モータを有さないことを意味している。

ＬＩＤＡＲ受信ユニット及び／又はＬＩＤＡＲ送信ユニットは、焦点面アレイ構成で形成されることが好ましい。それぞれのユニットの素子は、実質的に平面に配置され、好適にはチップ上に配置される。それぞれのユニットは、ＬＩＤＡＲ測定システム上の、対応する光学系、送信光学系又は受信光学系の焦点に配置されることが好ましい。具体的には、センサ素子及びエミッタ素子は、受信光学系の焦点に配置される。このような光学系は、例えば光学レンズ系によって形成することができる。

ＬＩＤＡＲ受信ユニットは複数のセンサ素子を有し、この複数のセンサ素子はＳＰＡＤ、即ち単一光子アバランシェ・ダイオードとして構成されることが好ましい。ＬＩＤＡＲ送信ユニットは、レーザ・パルスであることが好ましいレーザ光を出射するための複数のエミッタ素子を有する。エミッタ素子は、ＶＣＳＥＬ、即ち垂直共振器面発光レーザとして構成されることが好ましい。

ＬＩＤＡＲ受信ユニット及びＬＩＤＡＲ送信ユニットは、ＬＩＤＡＲ測定システムの上に互いに隣接して配置されることが好ましい。互いに隣接とは、ここではＬＩＤＡＲ受信ユニット及びＬＩＤＡＲ送信ユニットの隣接配置を暗に意味しており、即ち互いに上下に、或いは対角状に隣接する配置を同じく暗に意味している。センサ素子及びエミッタ素子は、共通の平面上に配置されることが好ましい。したがって、センサ素子及びエミッタ素子が同じ平面上に位置するように、これらの各チップは互いに配置されることが好ましい。法線方向に対してオフセットを有する平行配置も可能である。

ＬＩＤＡＲ送信ユニットは、複数のエミッタ素子を有し、その照射レーザ光は、送信光学系を介して異なる立体角に照射される。これは、所定の立体角が各エミッタ素子と関連付けられていることを意味している。ＬＩＤＡＲ受信ユニットのセンサ素子及びその受信光学系の配置は同等であるため、受信光学系は所定の立体角をＬＩＤＡＲ受信ユニットの所定の表面領域上にマッピングする。

言い換えると、エミッタ光学系を介して遠距離場における対象物に出射されるエミッタ素子のレーザ光は、常に、受信光学系を介してＬＩＤＡＲ受信ユニット上の同じ領域上にマッピングする。マクロ・セルを形成する複数のセンサ素子は、レーザ光の入射が予想されるこの領域に配置されることが好ましい。エミッタ素子及びこのようなマクロ・セルは、互いに関連付けられる。

ＶＣＳＥＬは、通常、ＳＰＡＤより大きく、それ故にそのレーザ光は複数のセンサ素子を照射することができるため、複数のセンサ素子をマクロ・セルの中に構成することも好ましい。このようなマクロ・セルは、例えば対象物で反射した後に、エミッタ素子が理論的又は実際的にマッピングすることができる表面領域によって定義することができる。以下、この表面領域をマッピング領域と称し、一方、このマッピング領域より小さい、レーザ光によって実際に照射される領域を照射領域と称する。入射するレーザ光は、様々な影響、例えば送信光学系及び受信光学系の光学的マッピング誤差、調整不良又はフロント・パネル等によって偏向する可能性がある。このように、レーザ表面領域はマッピング領域内の領域上にマッピングされる。マッピング領域は、通常、照射領域より何倍も大きい。

したがって、動作中、レーザ光によって実際に照射されるのはセンサ素子の一部にすぎないが、センサ素子は、少なくともマッピング領域をカバーすることが好ましい。センサ素子は、個々に、又はグループで活動状態及び非活動状態にすることができることが好ましい。照射されないセンサ素子は、環境放射の検出を低減するために非活動状態にされることが好ましい。

電子システムは、通常、検出されたレーザ光を評価するためにＬＩＤＡＲ測定システムの上に構成される。しかしながらこの電子システムについては、ここでは詳細に説明されない。例えば、マクロ・セルの画定をハードウェアの側で利用することができるように、複数のセンサ素子、具体的にはマクロ・セルの全てのセンサ素子は、電子評価システムの読出し素子によって読み出すことができる。例えば、１行のマクロ・セルに対して１つの読出し素子が設けられる。

光学系又は光学レンズ系は、隣接する領域の入射する光が、潜在的マッピング誤差を含めて実質的に同じマッピングを受けるという効果を有する。これは、隣接するマクロ・セルの場合、及び、静的マッピング誤差が発生した場合に、入射するレーザ光が、マッピング領域の内で基本的に同じ偏向を受けることを意味している。したがって隣接するマクロ・セルにおけるレーザ光の偏向は互いに相関している。

よって、潜在的マッピング誤差に依存せず、隣接するマクロ・セルのセンサ素子を統計的平均で常に一様に照射することが可能な、センサ素子の構成を提案する。センサ素子及びエミッタ素子は非相関な配置を有する。

例えば、４つのエミッタ素子及び関連する１６行のセンサ素子からなる構成を用いる。この構成では、エミッタ素子とエミッタ素子との間の距離は、センサ素子の行と行の間との距離の倍数に対応する。センサ素子の行の数は、エミッタ素子の行の数の整数倍に対応するため、個々のエミッタ素子は、マクロ・セルのマッピング領域の内の同じ点上にマッピングする。したがって、４つの全てのマクロ・セルのセンサ素子は同様に照射される、即ち、最適に照射されるか、ほとんど照射されないかのいずれかである。

二つの隣接するエミッタ素子同士の距離は、二つの隣接するセンサ素子同士の距離の整数倍とは一致しない。したがって非相関ＬＩＤＡＲ測定システムが得られる。これにより、あるエミッタ素子がマクロ・セルの不良領域中にマッピングしても、隣接するエミッタ素子がそれらのマクロ・セル内でもっと好ましい他の領域中に確実にマッピングすることができる。その結果、個々のマクロ・セルの照射が不十分であっても、隣接するマクロ・セルが実質的により良好に照射されるため、統計的平均では良好な照射が達成される。したがって良好な検出がＬＩＤＡＲ測定システムによって確実に行われる。このような比率は、例えば一次元的又はそれ以上の次元で実現することができる。例えば、列方向、又は列方向と行方向とで実現することができる。

隣接するセンサ素子も同様に、互いに対する、エミッタ素子とセンサ素子の間の配置又は非相関配置に応じて変化する距離を有する。隣接するセンサ素子とセンサ素子の間の距離は、列方向及び行方向において異なっていてもよい。隣接するセンサ素子とセンサ素子の間の距離は、全ての方向において同じであることが好ましい。より好ましい実施形態では、隣接するセンサ素子同士の間の行方向における距離は、列方向における距離より短い。行方向は、ＬＩＤＡＲ送信ユニットからＬＩＤＡＲ受信ユニットへの方向を指していることが好ましい。

好ましい実施形態では、エミッタ素子及びマクロ・セルをそれぞれ別々に行－列配置で配置することが提案される。この配置では、センサ素子も同様に、一種の行－列配置で配置される。

このことは上記で概説したマクロ・セル及びエミッタ素子の分割に本質的に対応し、エミッタ素子は、それぞれの光学系を介して対応する立体角を照射、或いは観察する。言い換えると、それぞれのユニット上におけるマクロ・セル及びエミッタ素子の配置は全く同じである。同じタイプ又は類似のタイプの行－列配置でセンサ素子を配置することは特に好ましい。可能なタイプの行－列配置については、以下でより詳細に説明される。

二つの隣接する、具体的には行方向に隣接するエミッタ素子同士の距離は、二つの隣接するセンサ素子の行同士の距離の整数倍とは一致しないことが好ましい。

請求項３に係るＬＩＤＡＲ測定システムが更に提案される。このＬＩＤＡＲ測定システムは序文で説明した目的を同様に達成する。従属請求項は好ましい実施形態を構成する。

請求項１及び２に関する上記説明は、同様にこのＬＩＤＡＲ測定システムにも当てはまる。

ここで、複数の隣接するマクロ・セルのうちでセンサ素子の共通する行の数は、関連するエミッタ素子の整数倍とは一致しないである。これは、少なくとも二つのエミッタ素子及びそれらの関連するマクロ・セルが考慮されることを意味している。マクロ・セルは、複数の行で配置された複数のセンサ素子を有する。行で配置することに加えて、センサ素子を列で配置することも同様に好ましく、行毎に二つ、三つ、四つ又はそれ以上のセンサ素子が配置される。

これらのマクロ素子の全ての行の数は、マクロ素子の行の整数倍とは一致しない。このような配置により、対応する同一の繰返しを回避することができる。即ち、上で説明したように、二つの隣接するエミッタ素子が関連するマクロ・セル上へマッピングする際に、センサ素子を同じ不良位置上へマッピングすることを回避することができる。例えば、マクロ・セルを有する四つのエミッタ素子が使用され、一方、マクロ・セルのセンサ素子の行数は１８とする。このようにして、理論的に完全なマッピングを仮定すると、或いは光学系が同じ光学誤差で空間的に隣接するマクロ・セル中にマッピングすると仮定すると、第４マイクロセルにおいて同様にマクロ・セル上へのエミッタ素子のマッピングが繰り返される。あるエミッタ素子がマクロ・セル上の不良な点の上にマッピングしても、少なくとも他の三つのエミッタ素子が別のより良好な点の上にマッピングする。

請求項４に係る他のＬＩＤＡＲ測定システムが更に提案される。従属請求項は、ＬＩＤＡＲ測定システムの好ましい実施形態を表している。

請求項１、２及び３に関する上記説明は、同様にこのＬＩＤＡＲ測定システムに適用することができる。したがって異なるＬＩＤＡＲ測定システムは、非常に技術的な関連する特徴が重複している。

多数の行のＮ個のエミッタ素子及びいくつかの行の関連するＮ個のマクロ・セルが存在する場合、Ｎ個のマクロ・セルのセンサ素子の行の数は、（ｍ・Ｎ）＋ｋによって決定される。ここで、ｍは整数であり、また、ｋは１とＮ－１の間の整数である。数ｍ及び数ｋは任意に選択することができる。

以下では、ＬＩＤＡＲ測定システムの好ましい実施形態が説明される。

例えば一つ又は複数の空の行のセンサ素子の形態において、二つのマクロ・セルの間に距離を形成することができることが特に好ましい。これらは、行の配置において、或いは上で説明した変形例に従って、必要に応じてカウントしてもいいし、カウントしなくてもよい。対応する空の行は、センサ素子を有する行より広くてもいいし、狭くてもよい。このことは、空の行の幅は、二つの隣接するセンサ素子の間の距離より長くなるように、或いは短くなるように構成することができることを意味している。

奇数番目の隣接するセンサ素子はオフセットを有し、偶数番目の隣接するセンサ素子はオフセットを有さないことが更に提案される。

素子、即ちセンサ素子又はエミッタ素子は、第一次の隣接素子である直接隣接素子（直接に隣接する素子）を有する。この隣接素子に続く素子は第二次の隣接素子に対応し、後続する素子は第三次の隣接素子に対応し、以下同様である。隣接素子は、ここでは行方向隣接又は列方向隣接に関連していることが好ましい。言い換えると、これは、センサ素子がその隣接素子に対する関係でオフセットを有し、このオフセットは、後続するセンサ素子に対する関係で相殺されることを意味している。行方向における隣接する素子は列方向にオフセットしていることが好ましく、列方向における隣接する素子は行方向における互いに対する関係でオフセットしていることが好ましい。

別の変形例では、行毎に、或いは列毎にオフセットが加えられる。更に、オフセットの値は、行毎に、或いは列毎に変えることができる。したがって行及び列の形態は、長方形のパターンにするだけでなく、例えば菱形又は六角形などの他のパターン形状でもよい。

列方向に隣接するセンサ素子は、行方向に向かうオフセットを有することが好ましい。

行方向に隣接するセンサ素子は、列方向のオフセットを有することが特に好ましい。

直角方向における隣接するセンサ素子のこのようなオフセットにより、改善された被覆がチップ上で達成される。具体的には、六角形のセンサ素子を使用して、１チップ表面領域つき大きい検出器表面領域が得られる。

オフセットに対する望ましい値は、例えばセンサ素子とセンサ素子の間の距離の１／３又は１／２である。

好ましい実施形態では、センサ素子は、円形、正方形又は六角形になるように構成される。

センサ素子の円形設計並びに正方形設計は、特にＳＰＡＤの製造の観点から好ましい。それとは対照的に、比較的大きい検出器表面領域は、六角形センサ素子を使用することによって達成される。特にＳＰＡＤにおけるセンサ素子は、隅が丸くなっていることが好ましい。

ＬＩＤＡＲ送信ユニットのエミッタ素子の列、及びＬＩＤＡＲ受信ユニットのセンサ素子の列は、互いに対して角度αを有する、或いは互いに平行になるように構成されることが特に好ましい。

平行配置の場合、センサ素子とセンサ素子の間の距離を介して、エミッタ素子とセンサ素子とを互いに非相関にすることが既に可能である。角度αの周りの列の回転又は行の回転により、更なる非相関構成要素を取り入れるができる。あるいは、センサ素子及びエミッタ素子の行に基づいて角度を設定することも可能である。

ここで、角度αは、ユニットの焦点面アレイに対して直角な表面の周りを回転する。ＬＩＤＡＲ送信ユニット及びＬＩＤＡＲ受信ユニットの焦点面アレイの平面は、結果として互いに向かって傾斜していないことが好ましい。したがってエミッタ素子及びセンサ素子は、同じ平面上、又は互いに平行な二つの平面上にある。

角度αは、０度から４５度までの間であればよく、２度から１０度までの間であることが好ましい。

非相関は、センサ素子の最適照射を実現するためには、これらの範囲内で可能であることが特に好ましい。

請求項１０に係るＬＩＤＡＲ受信ユニットが更に提案される。その受信ユニットは、上記実施形態のうちの少なくとも一つに係るＬＩＤＡＲ測定システム、又は請求項１から９に係るＬＩＤＡＲ測定システムに適している。

したがってＬＩＤＡＲ受信ユニットに関する上記の説明及び下記の説明がＬＩＤＡＲ受信ユニットに適用される。

ＬＩＤＡＲ測定システム及びＬＩＤＡＲ受信ユニットは、例示のためにいくつかの図を用いながら以下で更に説明される。

ＬＩＤＡＲ測定システムの概略図である。 ＬＩＤＡＲ受信ユニット及びＬＩＤＡＲ送信ユニットの断面図である。 相関ＬＩＤＡＲ測定システムを使用した異なるマッピング可能性を示す図である。 非相関ＬＩＤＡＲ測定システムの第１の変形例を示す図である。 非相関ＬＩＤＡＲ測定システムの第２の変形例を示す図である。 図５による非相関ＬＩＤＡＲ測定システムのマッピング可能性を示す図である。 非相関ＬＩＤＡＲ測定システムの第３の変形例を示す図である。 非相関ＬＩＤＡＲ測定システムの第４の変形例を示す図である。

図１には、ＬＩＤＡＲ受信ユニット１２及びＬＩＤＡＲ送信ユニット１４を有するＬＩＤＡＲ測定システム１０が示されている。ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、受信光学系１６及び送信光学系１８を更に備えている。このＬＩＤＡＲ測定システム１０は環境をモニタして、自動車両に対する対象物２０の距離及び動きを決定するために、自動車両上に静的に取り付けられるように設計されている。このような測定システムは、例えば自動運転に使用することができる。動作原理は以下の通りである。

ＬＩＤＡＲ送信ユニット１４はエミッタ素子２２を有しており、これらのエミッタ素子２２は、光パルスの形態のレーザ光を出射する。これらのエミッタ素子２２は、例えば一つ又は複数の垂直共振器面発光レーザ、略してＶＣＳＥＬによって形成することができる。エミッタ素子２２によって出射されたパルス２４は送信光学系１８を透過し、対象物２０で反射され、受信光学系１６を介して複数のセンサ素子２６のうちの一つへ導かれる。このようなセンサ素子は、例えばＳＰＡＤとも呼ばれる単一光子アバランシェ・ダイオードによって形成することができる。

図を単純にするために、図１には、パルス２４の進行を示すビーム２５が一つだけ示されている。光学系１６及び１８、及び複数のエミッタ素子２２並びにセンサ素子２６を用いて、測定システム１０によって対象物について空間を走査することができる。対応する光学系１６及び１８によって所定の立体角が最終的に個々のエミッタ素子２２及び個々のセンサ素子２６に関連付けられる。センサ素子２６によって検出された光パルス２４は、読出し素子２８によって読み出され、メモリ素子等を有する評価ユニット３０へ中継される。ここでは、自動車両からの対象物２０の距離を決定するために、ＴＯＦとも呼ばれる飛行時間の原理が使用される。出射されたパルスは、受信ユニット１２に到達するまでに経過した時間と相関され、そこから光パルス２４の経路を決定することができる。実行中のプロセスの対応調整は、制御ユニット３２によって行われる。この実施形態における読出し素子は時間－デジタル変換器、即ちＴＤＣによって形成され、これはメモリ素子に格納され、ヒストグラムをモデル化している。しかしながらこれらの説明はごく基本的であり、一般的原理を例示するためのものにすぎない。この実施形態は、測定システムの電子構造を何ら限定するものではない。この明細書の範囲を超えないように、それぞれの電子的構成要素間の相互作用及びそれらの詳細な構造を全て図示し、説明することはできない。ＬＩＤＡＲ測定システムは、接続３４を介して自動車両の他の構成要素に接続されており、この接続３４を介して対応するデータを送信することができる。

図２は、ＬＩＤＡＲ受信ユニット１２の断面上面図、及びＬＩＤＡＲ送信ユニット１４の関連する断面を示したものである。図に示すように、図中のエミッタ素子２２は、受信ユニット１２の図中の断面上にマッピングする。

この図における受信ユニットは、四つのエミッタ素子２２に関連付けられた四つのマクロ・セル１、２、３、４を有する。受信ユニット１２上へのそれぞれのエミッタ素子２２の実際のマッピングは、円３６によって図示されている。円３６は、図２では、受信ユニット１２上へのエミッタ素子２２の理論的マッピング位置を表しており、この目的のために、レーザ光３６は対象物で無限に、又は最大検出範囲で反射され、且つ、受信ユニット１２に衝突することが仮定されている。円３６はこの図では斜線が付けられている。

複数のセンサ素子２６が個々のエミッタ素子２２に関連付けられており、表現を明確にするために、ここではセンサ素子２６の一部のみが参照符号を付けられている。エミッタ素子２２はセンサ素子２６より大きく、それによりレーザ光３６は複数のセンサ素子２６を照射する、或いは照射することができる。

例えば光学的効果、又は経年変化効果などの効果により、入射するレーザ光はずれることがあり、このずれ量は円３８によって示される。入射するレーザ光３６はこの円３８内で移動しうる。環境放射の検出を低減するために照射されていないセンサ素子２６を非活動状態にできるように、センサ素子２６は、個々に活動状態にすることも、個々に非活動状態にすることもできる。

センサ素子は、結合してマクロ・セル１、２、３、４にされ、マクロ・セル１、２、３、４及びエミッタ素子２２は互いに関連付けられている。この関連付けは、対応するマクロ・セル１、２、３、４の数字を使用して個々のセンサ素子２６を指定することによって図２に示されている。したがってエミッタ素子２２は、それぞれのマクロ・セル１、２、３、４のセンサ素子２２の上にマッピングするだけである。マクロ・セル１を構成している数字１を有するセンサ素子２６は、一番上のエミッタ素子２２と関連付けられており、マクロ・セル２のセンサ素子は、その下のエミッタ素子２２と関連付けられ、以下同様である。

センサ素子は六角形の形を有している。それらの隅は丸くなっていることが好ましい。エミッタ素子のマクロ・セル及びセンサ素子のマクロ・セルの配置は、行－列形式で構成されている。エミッタ素子及びマクロ・セルの列は、大文字のローマ数表示によって指定されており、一方、行は、それに応じて大文字のラテン文字によって指定されている。センサ素子の列は、小文字のローマ数表示によって指定されており、また、センサ素子の行は、同様に小文字のラテン文字によって指定されている。

列方向に隣接しているセンサ素子は、行方向に配向されたオフセットを有しており、それにより六角形の形が実現される。第１番目の隣接するセンサ素子及び他の奇数番目の隣接するセンサ素子は、ここでは行方向においてオフセットを有しており、一方、第２番目の隣接するセンサ素子及び他の偶数番目の隣接するセンサ素子は、行方向において互いに対するオフセットを有していない。

図３は、相関ＬＩＤＡＲ測定システムのための複数のマッピング変形例を示したものである。このＬＩＤＡＲ測定システムは、例えばエミッタ素子又はマクロ・セル毎に４行のセンサ素子２６を備えている。エミッタ素子２２の入射するレーザ光は、ここでも同じく円３６によって図示されている。センサ素子２６は個々に活動状態並びに非活動状態にすることができるが、活動状態のセンサ素子２６のみが測定値を電子評価システムに送信する。

検出表面領域の微小部分のみが照射されたセンサ素子２６は、エミッタ素子２２によって能動的に照射された測定可能なレーザ光と比較して、検出された環境放射を不均衡に大きく増加する原因になる。図では、活動状態のセンサ素子２６には斜線が付けられ、一方、非活動状態のセンサ素子２６は六角形の枠として示されている。

ＬＩＤＡＲ測定システム１０の相関は、図３で明確に理解することができる。マクロ・セル１とマクロ・セル２の入射レーザ光３６を比較すると、光が同様にマクロ・セル上のセンサ素子２６の上にマッピングすることが分かる。これは、ＬＩＤＡＲ受信ユニット１２上へのＬＩＤＡＲ送信ユニット１４のマッピングの理論的位置を表している図３ａ、入射するレーザ光２４の最も悪い場合の偏向を示している図３ｂ、及び入射するレーザ光の最も良い場合の偏向を示している図３ｃについても当てはまる。

図３ａでは、二つのセンサ素子２６がほぼ完全に照射されている。通常、センサ素子の表面領域の５０パーセントを超える領域が照射されると、センサ素子を活動状態にするに値する。したがって図３ａにおける、その微小部分しか照射されていないセンサ素子２６は非活動状態にされる。最悪事例シナリオである図３ｂでは、六つのセンサ素子にレーザ光２４が当たっているが、十分に照射されているのは一つのセンサ素子２６のみである。したがって図１の照射と比較すると、背景雑音に対する測定信号の比率が不利に小さくなっている。更に、その微小部分しか照射されていない他の五つのセンサ素子２６を活動状態にしても、背景雑音に対する測定信号の低下を招くだけである。

レーザ光２４の最良のシフトは図３ｃに示されており、三つのセンサ素子２６が十分に照射され、即ち５０パーセントを超える表面領域が照射されている。図３ａ～図３ｃは、レーザ光３６の対応する偏向を示したものであり、これらの偏向は、例えば光学的マッピング誤差によってもたらされる。

説明されている相関ＬＩＤＡＲ測定システムでは、対応する偏向により、検出能力が大幅に改善、又は大幅に低下する。後者の問題は、製造プロセスのばらつきと経済的理由から回避されるべきである。

このような一様なシフトの原因は、特に、光学系、即ち受信光学系１６及び送信光学系１８について通常の製造不正確性が生じ、そのために射出するレーザ光又は入射するレーザ光がわずかに偏向するためである。このようなマッピング誤差は、光学系の特定の領域に対して実質的に同じ、または、特定の領域に対して少なくとも相関する。センサ素子同士の距離が短いため、互いに近接して位置しているセンサ素子についての光学的マッピング誤差は互いに相関する。これは、光学的マッピング誤差によるシフトによって、隣接するマクロ・セルについてレーザ光３６をと実質的に同様にシフトさせることを意味している。ここで、相関ＬＩＤＡＲ測定システム内においてマクロ・セルの不良領域にレーザ光が当たって場合、これは、この領域の全てのマクロ・セルに対して不良である。このような効果は、以下に述べる非相関ＬＩＤＡＲ測定システムの実現化によって回避されるべきものである。

図４には非相関ＬＩＤＡＲ測定システム１０が示されている。ここで、四つのエミッタ素子２２と関連付けられる四つのマクロ・セル１、２、３、４を有するＬＩＤＡＲ受信ユニット１２は、ＬＩＤＡＲ測定システム１０の断面で表されている。エミッタ素子２２の表現として、入射するレーザ光３６が、レーザ光３６に対する可能境界領域を表している円３８とともに、示されている。

図４ａは、レーザ光３６が無限遠又は最大検出範囲にある対象物で反射した後のＬＩＤＡＲ受信ユニット上への理論的マッピングを示したものである。図４ｂは、ＬＩＤＡＲ受信ユニット上へのレーザ光３６の可能な限り最良のマッピングを示したものであり、また、図４ｃは、可能な限り最悪の例を示したものである。表は、それぞれの図と関連付けられ、個々のマクロ・セル１、２、３、４及びそれらのセンサ素子２６に対する照射を示している。

センサ素子２６の照射は、図４ａ、図４ｂ及び図４ｃの下の表にそれぞれ数値で示されている。これらの数値は、レーザ光によって照射されるセンサ素子２６の表面領域の比率に対応している。値１は表面領域全体の照射に相当し、０．５は表面領域の５０％が照射されることに相当し、また、０は表面領域の０％が照射されることに相当している。上で述べたように、５０％を超える表面領域がレーザ光によって照射されるセンサ素子２６のみが活動状態にされる。

この図では、活動状態のセンサ素子２６には同じく斜線が付けられており、マクロ・セル１、２、３、４別に、活動状態のセンサ素子２６の照射された表面領域が合算されている。図４では、隣接するマクロ・セル１、２、３、４の円３８内のセンサ素子２６の配置が変更されている。レーザ光３６の偏向は、異なるマクロ・セル１、２、３、４に対して様々な影響を与える。このことは、隣接するマクロ・セル１、２、３、４内で配置が異なる二つのセンサ素子２６にレーザ光３６が当たる図４ａでも認めることができる。センサ素子２６の配置は、マクロ・セル１、２、３、４の二つおきに繰り返されている。奇数のマクロ・セル１、３及び偶数のマクロ・セル２、４は、それぞれ同じ照射パターンを有している。

具体的には、図４ａによれば、標準位置におけるマクロ・セル１、２、３、４毎に、二つのセンサ素子２６がそれぞれ完全に照射されており、８．０の総合照射が得られている。レーザ光３６の可能な限り最良のシフトを示している図４ｂでは、マクロ・セル毎にそれぞれ三つのセンサ素子が活動状態であり、１１．４の総合照射が得られている。図４ｃには、エミッタ素子２２による照射について可能な限り最悪の位置が示されている。マクロ・セル１及びマクロ・セル３では、三つのセンサ素子２６がそれぞれほぼ全体にわたって照射されており、一方、マクロ・セル２及びマクロ・セル４では、一つのセンサ素子２６のみが活動状態であり、照射されている。しかしながら総合照射は、それにもかかわらず７．９であり、理論的マッピングより０．１小さいだけである。非相関により、レーザ光３６の偏向が生じる際においても、常に十分な照射が確保される。

図４に示されている例の非相関は、四つのマクロ・セル及び四つのエミッタ素子が関連付けられる１９行のセンサ素子を使用することによって実現されている。数字１９は数字４の倍数ではない。センサ素子２６の行の数と、エミッタ素子の関連する行の数の倍数とは一致しない。同様に、隣接するエミッタ素子２２の間の距離Ｄは、センサ素子２６の二つの行の間の距離ｄの整数倍ではない。距離ｄ及びＤは図４ａに示されている。上記説明による、一般記述における数式の変数は、Ｎ＝４、Ｍ＝４及びＫ＝３である。

図５及び図６、図１７に係る他の変形例では、センサ素子２６の行は、エミッタ素子２２の四つの行と関連付けられるように配置されている。図５は、ＬＩＤＡＲ送信ユニット１４の断面とＬＩＤＡＲ受信ユニット１２の対応する断面との比較を示したものである。ここでは、エミッタ素子２２へのマクロ・セル１、２、３、４の割り当ても明確に示されている。

図４に係る実施形態の他の発展例として、個々のエミッタ素子が、異なる配置のセンサ素子の上にマッピングする。これらの配置は、例えば第４のマクロ・セル毎に繰り返される。

図６ａ、図６ｂ及び図６ｃには、三つのマッピング変形例が示されている。マクロ・セル１、２、３、４の各々及びそれらの活動状態のセンサ素子２６の照射に関する異なる数値は、ここでも異なる照射パターンを示している。

個々のマクロ・セル１、２、３、４は、独自の照射強度に遭遇する。理論的入射レーザ光、可能な限り最悪の入射レーザ光及び可能な限り最良の入射レーザ光の場合、総合照射強度の変化は、８．９から９．２の間である。光学的マッピング誤差の結果としてのレーザ光の偏向にもかかわらず、四つのマクロ・セルのグループの照射により実質的に不変の照射強度が得られる。

したがって、非相関により、ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、使用される光学系の潜在マッピング誤差に依存しなくなる。それほど高価ではない光学系を使用しつつ、同じ機能性を維持することにより、製造コストを削減することができる。

このように、立体角は常に十分に照射され、それにより対象物の信頼性の高い検出が実現される。図６によれば、５１個のセンサ素子２６を利用して最適照射及び検出を実現することができる。エミッタ素子の理論的マッピング領域の外側に存在しているセンサ素子２６は、例えば製造中に省略することができる。しかしながら製造プロセスの結果として、それらを同時に単純に製造することが好ましい。別の方法としては、これらのＳＰＡＤは、後方反射効果が生じ得る近距離範囲で活動状態である開口ＳＰＡＤとして同じく使用することも可能である。このような後方反射は、例えば出射されたレーザ光を部分的に反射するフロント・パネルを介してトリガすることができる。したがって開口ＳＰＡＤは、この反射によってトリガされるのを回避するために、或いはこのようなトリガ化の可能性を小さく維持するために、例えばコーティングによって適合される。

図７は、六角形のセンサ素子の代わりに実質的に正方形のセンサ素子を使用している他の実施形態を示したものである。これらの正方形のセンサ素子は丸い隅を有している。

この例では、三つの列ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ及び１３の行が４行のエミッタ素子２２の向かいに形成されている。この比率も、行の数又はエミッタ素子２２の数の整数倍とは同じく一致しないである。エミッタ素子とエミッタ素子の間の距離Ｄも、センサ素子とセンサ素子の間の距離ｄの整数倍ではない。

距離は、通常、素子の一つの点から隣接する素子の同じ点までの距離を介して画定される。この点は、例えば当該素子の中心又は縁であってもよい。

ＬＩＤＡＲ受信ユニット１２のセンサ素子２６の行ａでは、対応する列オフセットは、行方向に隣接するセンサ素子２２に対して示されている。列ｉｉは、約５０パーセントだけ下に向かって、即ち列方向、又は行方向に対して横方向にシフトされている。その次に隣接する列ｉｉｉのセンサ素子２６は、シフトされておらず、列ｉと向かい合っている。

偶数番目の行方向に隣接するセンサ素子は、互いに対してシフトされておらず、非偶数番目の行方向に隣接するセンサ素子は、互いに対して列方向にシフトされている。この非相関ＬＩＤＡＲ測定システム１０では、照射構造もマクロ・セル毎に異なっている。

図８には、六角形パターンに対する他の変形例が示されている。これは、上で説明した図４又は図５及び図６に係る六角形の変形例に実質的に対応している。１５行のセンサ素子２６がセンサ・ユニット・セグメント上の四つのエミッタ素子２２に関連付けられている。センサ素子は六角形配置であり、角度αだけ回転されている。回転は、焦点面アレイの表面領域に対する法線周りに生じる。この角度αは、例えば６．９度になるように選択される。しかしながら０度から４５度の間の角度でもよく、角度αは２度から１０度の間であることが好ましい。具体的には、マクロ・セル１、２、３、４又はセンサ素子２６の列方向ｓｒは、エミッタ素子２２の列方向ＳＲに対して角度αを有している。

上記説明は、例示として送信ユニット並びに該送信ユニットの右側に配置された受信ユニットを有する測定システムに基づいている。ここでは、上下の配置又は互いに対して対角状の配置も、暗に包含されており、特にこれらについて別に説明する必要はない。一方又は両方のユニットの回転も以上の説明に包含されている。一方又は両方のユニットの回転は、ユニットのチップの回転であってもよい。

１、２、３、４ マクロ・セル
１０ ＬＩＤＡＲ測定システム
１２ ＬＩＤＡＲ受信ユニット
１４ ＬＩＤＡＲ送信ユニット
１６ 受信光学系
１８ 送信光学系
２０ 対象物
２２ エミッタ素子、ＶＣＳＥＬ
２４ レーザ光、パルス
２５ ビーム
２６ センサ素子
２８ 読出しユニット
３０ 評価ユニット
３２ 制御ユニット
３４ 接続
３６ 円、レーザ光
３８ 円、入射するレーザ光の境界
Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ マクロ・セル、エミッタ素子列
ｉ、ｉｉ、ｉｉｉ センサ素子列
Ａ、Ｂ、Ｃ マクロ・セル、エミッタ素子行
ａ、ｂ、ｃ センサ素子行
ｄ 距離
Ｄ 距離
α 角度
ｓｒ マクロ・セル、センサ素子列方向
ＳＲ エミッタ素子列方向

Claims (10)

1. ＬＩＤＡＲ送信ユニット（１４）及びＬＩＤＡＲ受信ユニット（１２）を有する、焦点面アレイ配置で構成されるＬＩＤＡＲ測定システム（１０）であって、
   前記ＬＩＤＡＲ受信ユニット（１２）が複数のセンサ素子（２６）を有し、
   前記ＬＩＤＡＲ送信ユニット（１４）が複数のエミッタ素子（２２）を有し、
   複数のセンサ素子（２６）がマクロ・セル（１、２、３、４）を形成し、前記マクロ・セル（１、２、３、４）が単一のエミッタ素子（２２）と関連付けられ、
   二つの隣接するエミッタ素子（２２）の間の距離（Ｄ）は、二つの隣接するセンサ素子（２６）の間の距離（ｄ）の整数倍と一致しない、
   ことを特徴とする、ＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
2. 前記エミッタ素子（２２）及び前記マクロ・セル（１、２、３、４）がそれぞれ、ある種の行－列配置で離隔して配置され、
   前記センサ素子（２６）が同様にある種の行－列配置で配置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
3. 前記エミッタ素子（２２）及び前記マクロ・セル（１、２、３、４）がそれぞれ、ある種の行－列配置で離隔して配置され、
   前記センサ素子（２６）が同様にある種の行－列配置で配置される、
   ことを特徴とし、
   複数の隣接するマクロ・セル（１、２、３、４）のうちでセンサ素子（２６）の共通する行の数は、関連するエミッタ素子（２２）の整数倍と一致しない、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
4. 多数の行のＮ個のエミッタ素子（２２）及び多数の行の関連するＮ個のマクロ・セル（１、２、３、４）が存在する場合、前記Ｎ個のマクロ・セル（１、２、３、４）のセンサ素子（２６）の行の数が、（ｍ・Ｎ）＋ｋによって決定され、
   ここで、ｍが自然数であり、ｋが１とＮ－１の間の整数である、
   ことを特徴とする請求項３に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
5. 奇数番目の隣接するセンサ素子（２６）がオフセットを有し、偶数番目の隣接するセンサ素子（２６）がオフセットを有さない、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
6. 列方向に隣接するセンサ素子（２６）が行方向のオフセットを有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
7. 行方向に隣接するセンサ素子（２６）が列方向に配向されたオフセットを有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
8. 前記ＬＩＤＡＲ送信ユニット（１４）のエミッタ素子（２２）の列及び前記ＬＩＤＡＲ受信ユニット（１２）のセンサ素子（２６）の列が、互いに平行になるように、或いは互いに対して角度αを有するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
9. 前記角度αが０°から４５°の間であり、２°から１０°の間であることが好ましい、
   ことを特徴とする請求項８に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）に用いられるＬＩＤＡＲ受信ユニット（１２）。

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