JP7354451B2 - 光学ホモジナイザを備える送信ユニットおよびｌｉｄａｒデバイス - Google Patents

Description

本発明は、直線形または矩形の断面を備える電磁ビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を有する、ＬＩＤＡＲデバイスの送信ユニットに関する。さらに、本発明は、そのような送信ユニットを備えるＬＩＤＡＲデバイスに関する。

自動運転機能の技術的実装には、カメラセンサ、レーダセンサ、およびＬＩＤＡＲセンサなどのセンサが必要である。ＬＩＤＡＲセンサは、例えば正確な３次元マップを作成するために使用される。このために、ＬＩＤＡＲセンサは、生成されたビームを成形するためのパルスレーザおよび光学系を有する。飛行時間分析に基づいて、ＬＩＤＡＲセンサと走査領域内の物体との間の距離を決定することができる。

ＬＩＤＡＲセンサの最大感知範囲は、本質的に、検出器によって確実に受信して評価することができる、走査領域から反射される光量に制限される。ＬＩＤＡＲセンサの感知範囲を拡げるための一般的な手法は、より強力なビーム源の使用にある。車両分野では、目の安全性を保証するために、レーザなどのビーム源の使用可能なビーム出力が制限されている。

目の安全性に関するビーム出力の制限値を遵守するための様々な方法が知られており、それらの方法は、能動的な物体認識機能を有し、歩行者または交通参加者が認識されるとすぐに、放出されるビーム出力を低減することができる。しかし、そのような方法は、高信頼性の物体認識機能に依存するが、物体認識機能はエラーが生じやすく、交通参加者にとって危険であり得る。さらに、複雑な認識アルゴリズム、およびそれに対応するビーム出力を調整するための制御方法は、技術的実装に大きなコストがかかる。

本発明の基礎となる目的は、走査領域を走査するための均質なビーム分布を提供し、目の安全性に関するビーム出力の制限値を遵守する送信ユニットおよびＬＩＤＡＲデバイスを提案することであり得る。

この目的は、独立形式請求項のそれぞれの主題によって解決される。本発明の有利な構成は、それぞれの引用形式請求項の主題である。
本発明の一態様によれば、ＬＩＤＡＲデバイスの送信ユニットが提供される。送信ユニットは、直線形または矩形の断面を有する電磁ビームを生成するための少なくとも１つのビーム源と、透過光学系とを有する。本発明によれば、送信ユニットは、生成されたビームのビーム経路内で透過光学系の前または後ろに配置された、少なくとも１つのレンズアレイを備える光学ホモジナイザを有する。

目の安全性に関する制限値は、単位面積あたりのビーム源の最大許容ビーム出力によって定義される。少なくとも１つのビーム源は、例えばレーザまたはＬＥＤでよい。通常、生成されたビームにおいて、制限値に達する、またはそれを超えることがあるピークまたは強度最大値が生じる。光学ホモジナイザの使用により、生成されたビームのビーム出力の分布でのそのようなピークが回避される。したがって、生成されたビームは、ピークを含まない平坦または一定の強度分布またはビーム出力分布を有することができる。

送信ユニットは、任意選択で、例えばレンズ、プリズム、およびフィルタからなることがある透過光学系を有してもよい。さらに、送信ユニットの構成に応じて、さらなる光学要素、マイクロミラー、マクロミラーなどを提供することができる。例えば、ビーム源は、直線形の断面を有する生成されたビームを放出することができ、このビームは、走査領域を照射するために、送信ユニットまたはミラーの移動によって軸に沿って旋回させることができる。

光学ホモジナイザの使用により、近位領域で一定または横這いの強度分布を有する、走査領域を走査するためのビームを提供することができる。これにより、目の安全性に関する制限値を保証しながらビーム出力を高めることができる。ここで、さらなるエラー原因となる、複雑な能動制御される制御メカニズムおよび認識メカニズムは省略することができる。走査領域に放出されるビームの最適化された強度分布にもかかわらず、送信ユニットは、技術的に単純に構成されていてもよく、例えばただ１つの光学要素または透過光学系のみを有してもよい。

一例示的実施形態によれば、光学ホモジナイザが、複数のシリンドリカルマイクロレンズを備える２つの離間されたレンズアレイを有し、シリンドリカルマイクロレンズがそれぞれ、レンズアレイの１つの面に配置されている。好ましくは、シリンドリカルマイクロレンズの像面が、レンズアレイ間の間隔内にある焦点面に配置されている。

特に、焦点面を、２つのレンズアレイの中心に配置し、レンズアレイの平坦な広がりに平行に位置合わせすることができる。
２つのレンズアレイのシリンドリカルマイクロレンズは、好ましくは同じ向きを有し、生成されたビームの伝搬方向に対して横方向に延びる。特に、シリンドリカルマイクロレンズは、各レンズアレイの片側に配置されている１次元アレイを形成することができる。各レンズアレイの第２の面は、平坦に形成することができる。

第１のレンズアレイの各シリンドリカルマイクロレンズは、入射する生成されたビームを焦点面に投影することができる。したがって、第１のレンズアレイの各シリンドリカルマイクロレンズは、生成されたビームを焦点面に投影し、シリンドリカルマイクロレンズのそれぞれの投影像は少なくとも部分的に重なり合う。

第１のレンズアレイのシリンドリカルマイクロレンズの像面は、好ましくは、第２のレンズアレイのシリンドリカルマイクロレンズの物体面である。したがって、ビーム源の複数の光学投影像が焦点面に投影され、それらの投影像は互いに高さがずれている。第２のレンズアレイのシリンドリカルマイクロレンズは、焦点面上の投影像を、新たに重ね合わされる投影像のための被写体として使用し、したがってビームの最適な均一性を保証する。

さらなる実施形態によれば、光学ホモジナイザのレンズアレイは、シリンドリカルマイクロレンズを設けられた面が少なくとも１つのビーム源の方向に向けられるように配置されている。代替実施形態によれば、光学ホモジナイザのレンズアレイは、シリンドリカルマイクロレンズを設けられた面が互いに向かい合わされている、または逆向きにされているように配置されている。これらの手段により、ビームの均質な強度分布を実現するために、レンズアレイを多面配置することができる。

さらなる例示的実施形態によれば、光学ホモジナイザが、第１の面および第２の面を備えるレンズアレイを有し、第１の面および第２の面に複数のシリンドリカルマイクロレンズが配置されている。好ましくは、シリンドリカルマイクロレンズの像面は、第１の面と第２の面との間に配置されている。これにより、１部片の光学ホモジナイザを使用することができる。レンズアレイは、両面にそれぞれ複数のシリンドリカルマイクロレンズを備え、レンズアレイのそれぞれの面のシリンドリカルマイクロレンズが互いに平行に延びる。１部片の光学ホモジナイザにより、送信ユニットを技術的に特に単純に構成することができ、必要な構成要素の数が最小限になる。

レンズアレイのそれぞれの面は互いに逆向きである。したがって、それぞれの面のシリンドリカルマイクロレンズも互いに逆向きである。第１の面のシリンドリカルマイクロレンズの焦点面または像面は、好ましくはレンズアレイ内、特にレンズアレイの中心にある。第２の面のシリンドリカルマイクロレンズは、第１の面のシリンドリカルマイクロレンズの共通の像面を物体面として使用するように構成されている。これにより、放出することができるビームに関して特に均質な強度分布を設定することができる。

さらなる実施形態によれば、シリンドリカルマイクロレンズの像面は、第１の面と第２の面との間で中央に設定されている。これにより、第２の面のシリンドリカルマイクロレンズは、均質な強度分布を提供するために、ビーム源の分散されたまたは重ね合わされた投影像を使用することができる。特に、シリンドリカルマイクロレンズは、レンズアレイの両面に同様に構成されていてもよく、それにより、光学ホモジナイザを特に高い費用対効果で製造可能である。

さらなる形態では、送信ユニットが、透過光学系の領域に配置されている均質化平面を有する。
さらなる例示的実施形態によれば、透過光学系が直線形の照光を形成するように設計されている。

さらなる例示的実施形態によれば、光学ホモジナイザのレンズアレイのシリンドリカルマイクロレンズの数、シリンドリカルマイクロレンズの形状、および／またはシリンドリカルマイクロレンズのサイズが、互いに等しい、または互いに異なるように構成されている。好ましくは、シリンドリカルマイクロレンズの形状および／またはシリンドリカルマイクロレンズのサイズが、レンズアレイの面内で同じであるか、または異なるように構成されている。これにより、レンズアレイの面に沿ったシリンドリカルマイクロレンズの数、それらのサイズ、およびそれらのサイズ分布は、送信ユニットの光学特性が様々な使用分野に適合されるように変えることができる。

特に、生成されたビームは、シリンドリカルマイクロレンズの広がりを横切る方向に沿ってシリンドリカルマイクロレンズによって均質化することができる。
さらなる実施形態によれば、少なくとも１つのビーム源が、エミッタのアレイとして構成されており、エミッタは、ビーム源から生成されたビームが矩形および／または細長い走査パターンを形成するように配置されている。特に、ビーム源は、エミッタの１次元または２次元アレイとして構成されていてもよい。ここで、エミッタは、表面エミッタもしくはいわゆるＶＣＳＥＬまたはエッジエミッタであり得る。特に、エミッタは、ＬＥＤまたはレーザとして構成されていてもよい。さらに、エミッタは、ファイバダイオードバーとして、または平面導波路もしくはファイバ－スプリッタ配置を備えるファイバレーザとして構成されていてもよい。

本発明のさらなる態様によれば、走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲデバイスが提供される。ＬＩＤＡＲデバイスは、本発明による送信ユニットと、受信ユニットとを有する。ＬＩＤＡＲデバイスの送信ユニットは、ビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を有する。受信ユニットは、ビームを検出するための少なくとも１つの検出器を有する。

受信ユニットは、走査領域から後方散乱および／または反射されたビームを受信するための受信光学系を有してもよく、受信光学系は次いで、受信されたビームを少なくとも１つの検出器に集束させる。ここで、検出器は、受信光学系の焦点面に配設されていてもよい。

受信ユニットの少なくとも１つの検出器は、例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ、ＡＰＤアレイ、ＳＰＡＤアレイなどとして構成されていてもよい。
ＬＩＤＡＲデバイスは、フラッシュＬＩＤＡＲまたは可動構成要素を有さないソリッドステートＬＩＤＡＲとして構成されていてもよい。代替として、ＬＩＤＡＲデバイスまたはＬＩＤＡＲデバイスの部品は、少なくとも１つの回転軸に沿って回転可能または旋回可能であるように構成されていてもよい。さらに、ＬＩＤＡＲデバイスは、任意選択でマイクロスキャナまたはマクロスキャナであってもよい。

以下、本発明の好ましい例示的実施形態を、大幅に簡略化された概略図に基づいてより詳細に説明する。

一実施形態によるＬＩＤＡＲデバイスの概略図である。 ２部片の光学ホモジナイザの断面図である。 １部片の光学ホモジナイザの断面図である。 例示的なビームの流れを伴う１部片の光学ホモジナイザの斜視図である。 光学ホモジナイザを用いない場合の、図４の平面Ｅ内のビームの概略強度分布を示す図である。 光学ホモジナイザを用いた場合の、図４の平面Ｅ内のビームの概略強度分布を示す図である。 光学ホモジナイザの使用による強度分布の変化を示すグラフである。

図１に、一実施形態によるＬＩＤＡＲデバイス１の概略図が示されている。ＬＩＤＡＲデバイス１は、送信ユニット２および受信ユニット４を有する。
送信ユニット２は、複数のエミッタ８を有するビーム源６を有する。図示される例示的実施形態では、エミッタ８は、表面エミッタのアレイとして設計されている。エミッタ８は、例えば赤外波長範囲を有する生成されたビーム７を放出することができる。

ビーム源６によって生成されたビーム７は、透過光学系１０によって集束される。透過光学系１０は、高さ方向ｙに延び、高さ方向ｙを回転軸として有するシリンドリカルレンズとして形成される。

ビーム源６は、直線形または直方形の断面を有するビーム７を生成する。ビーム７の断面は、高さ方向ｙに沿って細長く延びる。透過光学系１０によって、生成されたビーム７をコリメートすることができる。

透過光学系１０の一部として構成されているさらなる光学要素１１を使用して、垂直ビーム成形を行うことができる。光学要素１１は、マイクロレンズアレイまたはいわゆるハニカムコンデンサとして構成されていてもよい。

ビーム経路において、透過光学系１０および１１の前に光学ホモジナイザ１２が配置されている。光学ホモジナイザ１２は、例えば１部片のレンズアレイとして形成されており、以下の図でより詳細に述べられる。光学ホモジナイザ１２は、生成されたビーム７よりも均一な強度分布を有するビームを生成し、ほぼ光学要素１１または透過光学系１０の領域で均質な照光を可能にする。

受信ユニット４は、検出器１４を有する。検出器１４は、走査領域１から反射および／または後方散乱されたビーム１５を受信し、電気測定データに変換することができる。
さらに、受信ユニット１４は、反射および／または後方散乱されたビーム１５を成形する、または検出器１４に集束させる任意選択の受信光学系を有し得る。

図２は、２部片の光学ホモジナイザ１３の断面図を示す。光学ホモジナイザ１３は、第１のレンズアレイ１６および第２のレンズアレイ１８を有する。各レンズアレイ１６、１８は、複数のシリンドリカルマイクロレンズ２０を有する。

シリンドリカルマイクロレンズ２０は、それぞれのレンズアレイ１６、１８のそれぞれ１つの面２２に配置されている。シリンドリカルマイクロレンズ２０は、横方向ｘに、または高さ方向ｙを横切って延びる。

シリンドリカルマイクロレンズ２０とは反対側に配置された面２４は、平らに、またはさらなる構造化もしくは輪郭付けを伴わずに形成されている。レンズアレイ１６、１８は、平らな面２４が互いに向かい合わされているように位置合わせされている。

生成されたビーム７は、第１のレンズアレイ１６のそれぞれのシリンドリカルマイクロレンズ２０によって集束され、焦点面Ｆに投影される。特に、各シリンドリカルマイクロレンズ２０は、焦点面Ｆに投影像２６を生成する。シリンドリカルマイクロレンズ２０の投影像２６は、高さ方向ｙで焦点面Ｆに沿って重なり合って投影されている。

第１のレンズアレイ１６のシリンドリカルマイクロレンズ２０の投影像２６は、第２のレンズアレイ１８のシリンドリカルマイクロレンズ２０によって被写体として使用される。したがって、すでに重なり合わされている投影像２６が再び集束されて重ね合わされ、それにより、走査領域Ａに放出される最終的なビーム９の均質な強度分布が得られる。

ここで、焦点面Ｆは、第１のレンズアレイ１６および第２のレンズアレイ１８のための像面を形成する。シリンドリカルマイクロレンズのそれぞれの焦点は、好ましくは、焦点面Ｆに対してずらして配置されていてもよい。

図３は、１部片の光学ホモジナイザ１２の断面図を示す。図２に示される光学ホモジナイザ１３とは対照的に、この光学ホモジナイザは１部片で形成されている。１部片の光学ホモジナイザ１２は、第１の面２２および第２の面２４を有するレンズアレイ２８を有する。

シリンドリカルマイクロレンズ２０は、第１の面２２と第２の面２４との両方に配置されている。それぞれの面２２、２４のシリンドリカルマイクロレンズ２０は、焦点面Ｆを通って延びる共通の像面を有する。

図示される例示的実施形態では、焦点面Ｆは、ビーム７の伝搬方向ｚでレンズアレイ２８の中央または中心に延びる。
図４は、例示的なビームの流れと共に１部片の光学ホモジナイザ１２の斜視図を示す。さらに平面Ｅが示されており、この平面Ｅは、さらなる図をわかりやすくするために使用される。平面Ｅは、光学ホモジナイザ１２の下流に配置されており、伝搬方向ｚを横切って延びるｘ－ｙ平面内に広がる。

図５に、光学ホモジナイザ１２が使用されない場合の、図４の平面Ｅ内での、走査領域Ａに放出されたビーム９の概略強度分布Ｉが示されている。
ビーム９は、明確なピークを有する横方向強度分布Ｉを有する。特に、強度分布Ｉは、本質的にガウス分布の形状に構成されている。

図６は、光学ホモジナイザ１２が使用された場合の、図４の平面Ｅ内でのビーム９の概略強度分布Ｉを示す。ここでは、図５のガウス強度分布Ｉからの明らかな違いを見ることができる。ビーム９は、均質化された強度分布Ｉを有する。

図５の強度分布Ｉ１と図６の強度分布Ｉ２との相違が、図７に示されるグラフで表されている。
このグラフは、高さ方向ｙに沿った強度Ｉを示し、光学ホモジナイザ１２、１３によって調整可能であるビーム９の一定の強度曲線Ｉ２を示す。

本発明の有利な形態では、均質化平面Ｅに、ビーム７に所望の形状を与える１つまたは複数の光学系３０がある。直線照光では、少なくとも１つの光学系３０がコリメーションを行って、１つの空間方向で小さな発散を生成し、別の空間方向でファンアウトまたは大きな発散を生成することができる。

Claims (6)

1. 直線形または矩形の断面を備える電磁ビーム（７）を生成するための少なくとも１つのビーム源（６）と、透過光学系（１０）とを有する、ＬＩＤＡＲデバイス（１）の送信ユニット（２）において、生成された前記ビーム（７）のビーム経路内で前記透過光学系（１０）の前または後ろに配置された、少なくとも１つのレンズアレイ（１６、１８、２８）を備える光学ホモジナイザ（１２、１３）を有することを特徴とする送信ユニット（２）において、
   前記光学ホモジナイザ（１２）が、第１の面（２２）および第２の面（２４）を備えるレンズアレイ（２８）を有し、前記第１の面（２２）および前記第２の面（２４）に複数のシリンドリカルマイクロレンズ（２０）が配置されており、前記シリンドリカルマイクロレンズ（２０）の像面が、前記第１の面（２２）と前記第２の面（２４）との間に配置されている、
   送信ユニット。
2. 前記透過光学系（１０）の領域に配置されている均質化平面（Ｅ）を有する、請求項１に記載の送信ユニット。
3. 前記シリンドリカルマイクロレンズ（２０）の前記像面が、前記第１の面（２２）と前記第２の面（２４）との間で中央に配置されている、請求項１または２に記載の送信ユニット。
4. 前記透過光学系（１０）が直線形の照光を形成するように設計されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の送信ユニット。
5. 前記少なくとも１つのビーム源（６）が、エミッタ（８）のアレイとして構成されており、前記エミッタ（８）は、前記ビーム源（６）から生成された前記ビーム（７）が矩形および／または細長い走査パターンを形成するように配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の送信ユニット。
6. 走査領域（Ａ）を走査するためのＬＩＤＡＲデバイス（１）であって、請求項１～５のいずれか一項に記載の送信ユニット（２）と、前記走査領域（Ａ）から反射および／または後方散乱されたビーム（１５）を受信するための少なくとも１つの検出器（１４）を備える受信ユニット（４）とを有するＬＩＤＡＲデバイス（１）。

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