JP2022545013A - ライダー装置用受光ユニット - Google Patents

Abstract

物体で反射および／または後方散乱したビームを受光するための、特にライダー装置用の受光ユニットであって、受光光学系と、少なくとも１つの検出器とを備え、受光光学系と検出器との間のビームのビーム経路には、方向フィルタと波長選択ユニットとが配置された受光ユニットが開示されている。さらに、ライダー装置、および検出器の測定データを解析するための方法が開示されている。

Description

本発明は、物体で反射および／または後方散乱したビームを受光するための、特にライダー（ＬＩＤＡＲ）装置用の受光ユニットであって、受光光学系と、少なくとも１つの検出器とを備えた受光ユニットに関する。さらに、本発明は、ライダー装置に関する。

例えば自動車分野など、様々な技術分野においてより高度な自動化に向かう傾向があるため、ライダー装置の重要性が高まっている。１５０°から３６０°の間の大きな水平走査角をカバーするためには、現在では機械式レーザスキャナしか知られていない。

回転ミラー型レーザスキャナとしての特性を有するライダー装置のうち、水平方向の最大走査範囲が約１５０°に制限されているものが知られている。このようなライダー装置では、モータ駆動の偏向ミラーのみが回転し、投光ユニットおよび受光ユニットは偏向ミラーに対して静止して配置されている。

最大３６０°のより大きな水平走査領域を移動するために、投光ユニットおよび受光ユニットは、モータ駆動の回転台またはロータに配置される。

干渉反射をフィルタリングして信号対雑音比を高めるためには、通常、バンドパスフィルタが受光ユニットで使用される。しかし、外来光を抑制するために狭帯域幅のバンドパスフィルタを実装することで、受光ビームの波長と放射ビームの波長とが異なることがあるため、問題が生じる可能性がある。したがって、信号対雑音比が低下し、ライダー装置のレンジが制限される可能性がある。

本発明の基礎をなす課題は、投光ユニットにより生成されるビームの周波数範囲に波長領域を合わせることができる受光ユニットおよびライダー装置を提案することであると考えられる。

この課題は、独立請求項のそれぞれの主題によって解決される。本発明の有利な形態は、それぞれ従属する従属請求項の主題である。

本発明の一態様によれば、特にライダー装置用の受光ユニットが提供される。受光ユニットは、予め投光ユニットから走査領域に放射された後に物体で反射および／または後方散乱したビームを受光するために機能する。受光ユニットは、受光光学系と少なくとも１つの検出器とを有し、受光光学系と検出器との間のビームのビーム経路には、方向フィルタと波長選択ユニットとが配置されている。

本発明の別の態様によれば、走査領域を走査するためのライダー装置が提供される。ライダー装置は、ビームを生成しおよび生成されたビームを走査領域へ送出するための少なくとも１つの投光ユニットと、走査領域から後方散乱および／または反射したビームを受光して解析するための本発明による少なくとも１つの受光ユニットとを備える。

このようなライダー装置は、例えば、自動車分野、航空、計測技術などで使用することができる。受光ユニットの検出器としては、特に平面検出器を使用することができる。少なくとも１つの検出器は、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、またはＳＰＡＤアレイとして実現され得る。

走査領域から後方散乱および／または反射したビームは、受光ユニットにより受光される。このために、走査領域から到来したビームを直接的または間接的に方向フィルタに偏向させることができる受光光学系を設けることができる。

方向フィルタは、受光ユニットの第１の領域を構成し、受光ユニットへのその入射方向に応じて受光ビームのフィルタリングを可能にする。これにより、予め設定された方向から受光ユニットに入射した受光ビームのみを透過させることができる。予め設定された方向は、ライダー装置では、例えば投光ユニットと受光ユニットとの相対的な向き、およびその結果生じる面上での反射角によって決定することができる。したがって、受光ユニットの第１の領域では、受光ユニットの周囲からの干渉光を遮断またはフィルタリングすることができる。好ましくは、投光ユニットにより生成され、その後反射または後方散乱したビームのみが方向フィルタを通過することができる。

波長選択ユニットは、受光ユニットの第２の領域を構成する。波長選択ユニットは、好ましくは、方向フィルタを透過したビームをそれらの波長に応じて扇状に拡げることができる。このために、波長選択ユニットに入射したビームは、それらの波長によって異なる強度で偏向する。この結果、ビームはそれらの波長によって検出器の複数の異なる箇所に到達する。したがって、受光ユニットの２つの領域によりビームの多段階フィルタリングを実現することができる。検出器が箇所に応じて測定データを選択することにより、測定データの波長に応じた解析を行うことができる。特に、検出器の正確な領域から測定データを選択することで、干渉する背景光を有用な信号から分離することができる。そのため受光ユニットの設計によっては、測定データをさらに解析するために、検出器の１つまたは複数の領域を選択することができる。

検出器の領域は、正方形、直線形、円形などの形状であってもよい。特に、その領域は、１つまたは複数の要素（ピクセル）を有してよい。検出器は、例えば波長選択ユニットの特性に基づいて、検出器の受光領域を波長に割り当てることができる解析ユニットに接続可能であってもよい。ここで、解析ユニットは、検出器の全ての測定データを受信し、その後フィルタリングするか、もしくは別の解析に利用するか、または検出器の受光領域からの測定データのみを受信することができる。測定データの別の解析には、例えば、いわゆるタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法の実行を含めることができる。

受光ユニットにより、解析に関連する波長領域を、投光ユニットにより生成されたビームの波長領域に適合させるか、または選択することができる。この措置により、受光ユニットの帯域幅を低減させ、信号対雑音比を向上させることができる。帯域幅が低減することにより、受光ユニットに照射される背景光を遮断することができる。

有利な一形態によれば、解析に利用される検出器の少なくとも１つの領域は、自動的にまたは可変的に選択できる。これにより、受光ユニットの帯域幅および波長領域の自動的な適応を実現することができる。

別の実施例によれば、方向フィルタは、絞りまたはスリット絞りとして実現されている。これにより、走査領域から反射および／または後方散乱したビームを、ある一定の水平方向および垂直方向の角度範囲から、技術的に容易かつ効率的に透過させることができる。特に、方向フィルタを使用することで、投光ユニット以外の光源からのビームを特に容易に遮断することができる。

別の実施例によれば、波長選択ユニットは、透過波長選択性または反射波長選択性を有する。したがって、受光ユニットは特に柔軟に構成することができる。受光ユニットの形状および大きさによって、波長選択ユニットは到来したビームを透過させるかまたは反射させることができる。これにより、波長選択ユニットは、到来したビームに対して、透過方向においてまたは反射する際に波長固有に作用することができる。

別の実施例によれば、波長選択ユニットによって、到来したビームに対して波長に応じた屈折角、または波長に応じた反射角を設定することができる。これにより、透過方向に作用する波長選択ユニットの場合、到来したビームを波長に応じた異なる強度で屈折させることができる。反射型に作用する波長選択ユニットの場合、到来したビームを波長固有の反射角によって扇状に拡げることができる。

別の実施形態によれば、波長選択ユニットによる作用を受けたビームは、波長に応じた屈折角、または波長に応じた反射角で検出器に偏向することができる。好ましくは、受光したビームから検出器によって算出された測定値を、検出器上のそれらの検出位置に応じて解析に使用することができる。これにより、検出器の空間分解能を、受光ビームの角度に応じた分解能に利用することができる。このような波長に応じてビームが扇状に拡がることに基づき、定められた波長のビームから得られた測定データのみを解析に用いることができる。これにより、受光ユニットの帯域幅を例えば自動的に適応させることができる。特に、必要な波長に応じて選択的に、測定データを解析に選択させることができる。

別の実施形態によれば、波長選択ユニットは、回折光学素子として設計されている。例えば、波長選択ユニットは、ホログラフィック回折格子または体積ホログラフィック回折格子として実現することができる。このような波長選択ユニットは、技術的に容易に製造でき、例えばフィルタ機能などの追加機能を有してもよい。

別の実施形態によれば、方向フィルタと波長選択ユニットとの間のビーム経路に、方向フィルタを通過するビームを平行化するための、レンズ、円筒面レンズまたはレンズアレイとして実現された少なくとも１つの第１の光学素子が配置されている。ビームは、方向フィルタを通過した後、第１の光学素子により波長選択ユニットに最適に指向することができる。受光ユニットの設計によって、第１の光学素子をフレキシブルに構成することができる。

追加的または代替的な一形態によれば、第１の光学素子は、１つまたは複数の円筒面レンズを有しうる。例えば、円筒面レンズを方向フィルタの前に配置し、受光したビームを例えばスリット絞りなどの方向フィルタに集束させることができる。別の円筒面レンズを経由して、方向フィルタリングされたビームを波長選択ユニットに偏向させ、その後別の光学系によって検出器の受光領域に集光させてもよい。

別の実施例によれば、波長選択ユニットと検出器との間のビーム経路に、少なくとも１つの第２の光学ユニットが配置されている。これにより、検出器の受光領域が第２の光学ユニットの焦点に位置するように、波長に応じて扇状に拡がったビームを集束させることができる。特に、これにより、波長の異なるビームによって生じる測定値を、特に明確に互いに区別して解析することができる。

別の実施形態によれば、波長選択ユニットと検出器との間に、マイクロレンズアレイとして設計された第２の光学素子が配置されている。この措置により、特に省スペース設計の受光ユニットを提供することができる。このとき、方向フィルタの直後にマイクロレンズからなる面を構成してもよい。マイクロレンズ面の直後には、波長選択ユニットが配置されていることが好ましい。波長選択ユニットには別のマイクロレンズ面またはマイクロレンズアレイを後置接続して、検出器にビームを偏向させることができる。

別の実施形態によれば、方向フィルタ、第１の光学素子、波長選択ユニット、第２の光学素子、および検出器は、一体型に実現されているか、または互いに統合され接続されている。これにより、受光ユニットは特にコンパクトに設計することができる。受光ユニットのそれぞれの構成要素は、例えば、フレームまたは接着剤によって互いに接続されていてもよい。

本発明の別の態様によれば、受光ユニットの検出器の測定データを解析するための方法が提供される。１つのステップでは、走査領域からのビームが受光ユニットにより受光され、方向フィルタによりフィルタリングされる。フィルタリングされたビームは、直接的にまたは少なくとも１つの第１の光学素子を介して、波長選択ユニットに偏向する。続いて、フィルタリングされたビームは、波長選択ユニットによって波長に応じて扇状に拡がり、波長に応じて検出器の複数の異なる受光領域に照射される。さらに、扇状に拡がったビームは、検出器に衝突する前に、少なくとも１つの第２の光学素子によって集束しまたは偏向することができる。

これにより、例えば検出器の１つまたは複数の要素（ピクセル）など、複数の受光領域に光パワーを分散させることが可能になる。ビームは、検出器の利用可能な受光面に沿って、それらの波長に応じて分散することができるため、検出器の測定値の場所に応じた解析により、特定の波長に解析を限定することが可能になる。

一実施形態によれば、測定データは、検出器の受光領域を照射することによって生成され、解析ユニットにより受信され、測定データを受信するための検出器の少なくとも１つの受光領域は、解析ユニットによる解析のために自動的にまたは予め定められた方法で選択される。これにより、解析に利用する検出器の少なくとも１つの領域を、自動的または可変的に選択することができる。さらに、受光ユニットの帯域幅および波長領域の自動的な適応も実現することができる。

以下に、高度に簡略化した概略図を用いて、本発明の好ましい実施例を詳述する。

図１は一実施例に係るライダー装置の概略図である。 図２は第１の実施例に係る受光ユニットの概略図である。 図３は第２の実施例に係る受光ユニットの概略図である。 図４は第３の実施例に係る受光ユニットの概略図である。

図１は、一実施例に係るライダー装置１の概略図を示す。ライダー装置１は、投光ユニット２と、受光ユニット４とを有する。

投光ユニット２は、ビーム６を生成して走査領域Ａに沿って放射する機能を果たす。例えば、生成されるビーム６は、レーザビームとして設計されてもよい。このために、投光ユニット２は、１つまたは複数のレーザエミッタ３を有する。投光ユニット２は、定められたパルス周波数でビーム６を生成し、放射することができる。これは、制御ユニット８によって調整され、開始することができる。

受光ユニット４は、検出器１０と受光光学系１２とを有する。走査領域Ａから受光ユニット４の方向に反射または後方散乱したビーム１４、１５は、受光光学系１２により受光され、受光ユニット４内に偏向する。ここで、走査領域Ａにおいて反射または後方散乱したビーム１４、１５は、投光ユニット２により生成されて反射または後方散乱したビーム１４と、干渉源から発生したビーム１５とで構成されている。

検出器１０は、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの平面検出器として実現することができる。検出器１０は、到来したビームから測定データの形態での電気信号を生成することができる受光領域１１を有する。検出器１０は、検出器１０の位置に応じた測定データの解析が可能であるように、制御ユニット８に結合されている。特に、入射ビームによってそれぞれの測定データが生成される受光領域１１に、測定データを割り当てることができる。

制御ユニット８は、好ましくは、検出器１０の測定データを解析するための解析ユニットとして実現することができる。

図２には、第１の実施例に係る受光ユニット４の概略図を示す。受光ユニット４の構成が詳細に示される。

受光ユニット４は、平凸レンズとして実現された受光光学系１２を有する。反射ビーム１４のビーム経路において、受光光学系１２には方向フィルタ１６が後置接続されている。方向フィルタ１６は、絞りまたはスリット絞りとして設計されている。実施例によれば、所定の方向からのビーム１４のみが方向フィルタ１６を通過できるため、反射または後方散乱したビーム１４、１５の方向フィルタリングは、受光光学系１２と方向フィルタ１６とからの組み合わせによって発生する。他の方向からのビーム１５は、受光光学系１２によって方向フィルタ１６のスリットに集束しないため、遮断される。

受光光学系１２および方向フィルタ１６は、受光ユニット４の第１の領域Ｂ１を構成する。続いて、方向フィルタ１６によってフィルタリングされたビーム１８は、受光ユニット４の第２の領域Ｂ２に導光される。第２の領域Ｂ２において、ビーム１８は、第１の光学ユニット２０によって形成される。実施例によれば、第１の光学ユニット２０は平凸レンズとして設計され、フィルタリングされたビーム１８を波長選択ユニット２２に集束させる。特に、フィルタリングされたビーム１８は、第１の光学ユニット２０によって、波長選択ユニット２２への入射角が等しくなるように平行化される。

波長選択ユニット２２は、ホログラフィック回折格子として構成されており、フィルタリングされたビーム１８の波長に応じた反射率を有する。例えば、波長の小さいビームは、波長のより大きいビームよりも強く偏向することができる。

続いて、波長選択ユニット２２によって偏向したビーム２４は、第２の光学ユニット２６によって検出器１０に集光する。このステップにより、複数の異なる波長の入射ビーム１８は、波長に応じた素子２２を用いて異なる強度で偏向する。これにより、ビーム２４は、第２の光学ユニット２６を用いて再集束した後、それらの波長に応じて検出器１０の異なる箇所に到来する。

ここで、検出器１０の正確な領域１１を選択することで、干渉する背景光を有用な信号から分離することができる。投光ユニット２が送出するビーム６の波長が変化すれば、それに応じてこの領域１１を変化させることができる。

図３は、第２の実施例に係る受光ユニット４の概略図を示す。第１の実施例とは異なり、波長選択ユニット２２は、フィルタリングされたビーム１８に対して透過方向に作用する。この場合、波長選択ユニット２２を透過する際に、フィルタリングされたビーム１８の屈折または回折が発生する。

図４には、第３の実施例に係る受光ユニット４の概略図を示す。既に説明した実施例とは異なり、方向フィルタ１６、第１の光学ユニット２０、波長選択ユニット２２、第２の光学ユニット２６および検出器１０は、一体的に実現されている。例えば、部品１０、１６、２０、２２、２６は互いに接着されている。方向フィルタ１６と波長選択ユニット２２との間には、第１の光学ユニット２０が配置されている。波長選択ユニット２２と検出器１０との間には、第２の光学ユニット２６が位置している。実施例によれば、第１の光学ユニット２０および第２の光学ユニット２６は、マイクロレンズアレイとして設計されている。

Claims (13)

1. 走査領域（Ａ）内で反射および／または後方散乱したビーム（１４）を受光するための、特にライダー装置（１）のための受光ユニット（４）であって、
   受光光学系（１２）と、少なくとも１つの検出器（１０）とを備え、
   前記受光光学系（１２）と前記検出器（１０）との間の前記ビーム（１４）のビーム経路には、方向フィルタ（６）および波長選択ユニット（２２）が配置されている、ことを特徴とする、受光ユニット。
2. 前記方向フィルタ（１６）が、絞りまたはスリット絞りとして実現されている、請求項１に記載の受光ユニット。
3. 前記波長選択ユニット（２２）が、透過波長選択性または反射波長選択性を有する、請求項１または２に記載の受光ユニット。
4. 前記波長選択ユニット（２２）によって、到来したビーム（１８）に対して波長に応じた屈折角、または波長に応じた反射角を設定することができる、請求項１から３のいずれか一項に記載の受光ユニット。
5. 前記波長選択ユニット（２２）による作用を受けたビーム（２４）が、波長に応じた屈折角、または波長に応じた反射角で前記検出器（１０）に偏向し、受光したビーム（２４）から前記検出器（１０）によって算出された測定値を、前記検出器（１０）上のそれらの検出位置（１１）に応じて解析に使用することができる、請求項４に記載の受光ユニット。
6. 前記波長選択ユニット（２２）が、回折光学素子として設計されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の受光ユニット。
7. 前記方向フィルタ（１６）と前記波長選択ユニット（２２）との間のビーム経路に、前記方向フィルタ（１６）を通過するビーム（１８）を平行化するための、レンズ、円筒面レンズまたはレンズアレイとして実現された少なくとも１つの第１の光学素子（２０）が配置されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の受光ユニット。
8. 前記波長選択ユニット（２２）と前記検出器（１０）との間のビーム経路に、少なくとも１つの第２の光学ユニット（２６）が配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の受光ユニット。
9. 前記波長選択ユニット（２２）と前記検出器（１０）との間に、マイクロレンズアレイとして設計された第２の光学素子（２６）が配置されている、請求項７に記載の受光ユニット。
10. 前記方向フィルタ（１６）、前記第１の光学素子（２０）、前記波長選択ユニット（２２）、前記第２の光学素子（２６）、および前記検出器（１０）が、一体型に実現されているか、または互いに統合され接続されている、請求項７または８に記載の受光ユニット。
11. 生成しおよび生成されたビーム（６）を走査領域（Ａ）へ送出するための少なくとも１つの投光ユニット（２）と、請求項１から１０のいずれか一項に係る少なくとも１つの受光ユニット（４）とを備える、走査領域（Ａ）を走査するためのライダー装置（１）。
12. 受光ユニット（４）の検出器（１０）の測定データを解析するための方法であって、
    走査領域（Ａ）からのビーム（１４、１５）を前記受光ユニット（４）によって受光し、
    方向フィルタ（１６）によって前記ビームをフィルタリングし、
    フィルタリングされた前記ビーム（１８）を、直接的にまたは少なくとも１つの第１の光学素子（２０）を介して、波長選択ユニット（２２）により偏向させ、
    フィルタリングされた前記ビーム（１８）を、前記波長選択ユニット（２２）によって波長に応じて扇状に拡げて、波長に応じて前記検出器（１０）の複数の異なる受光領域（１１）に照射する、方法。
13. 測定データが、前記検出器（１０）の前記受光領域（１１）に照射することにより生成されて解析ユニット（８）により受信され、測定データを受信するための前記検出器（１０）のうちの少なくとも１つの受光領域（１１）が、前記解析ユニット（８）による解析のために自動的にまたは予め定められた方法で選択される、請求項１２に記載の方法。
    

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