JP7074874B2 - Ｌｉｄａｒ受信ユニットのローカル及びリモート検出を改善する方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車両のためのＬＩＤＡＲ受信ユニットのローカル及びリモート検出を改善する方法に関する。

このようなＬＩＤＡＲ受信ユニットは、例えば、文書ＷＯ ２０１７ ０８１ ２９４に記載のＬＩＤＡＲ測定システムで知られている。この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。ＬＩＤＡＲ送信ユニットのエミッタ素子は、透過レンズを通過し、且つ、対象物で反射される光パルスを放出する。反射した光パルスは受光レンズを介して受信ユニットのセンサ素子上に集光され、これにより、パルスを検出することができる。対象物からＬＩＤＡＲ測定システムまでの距離は、光パルスの飛行時間に基づいて決定することができる。様々な要因により、同じエミッタ素子から連続的に送られる複数のレーザ・パルスは、異なる位置で受信ユニットに衝突することがある。これは、例えば、ＬＩＤＡＲ測定システムから対象物までの距離が短い近距離場測定から、ＬＩＤＡＲ測定システムから対象物までの距離がより長い遠距離場測定への切り替えによる場合に生じうる。結局のところ、これは、焦点面アレイ構成において受信ユニットと送信ユニットとを有するこのようなＬＩＤＡＲ測定システムの空間構造、即ち、平面内におけるエミッタ素子及びセンサ素子の配置と、それぞれのレンズの焦点における配置とによるものである。焦点面アレイ構成は、ＬＩＤＡＲ測定システム又はその構成要素を可動にする構成要素の使用が避けられない。受信ユニット上の入射レーザ・パルスの局所的な変位は、レーザ光の検出を損なう可能性がある。

したがって、本発明の目的は、ＬＩＤＡＲ受信ユニット及びＬＩＤＡＲ測定システムにおける対象物のローカル及びリモート検出を改善する方法を提供することである。

この目的は、請求項１に係る方法によって達成される。

この方法は、以下の実施形態に係るＬＩＤＡＲ受信ユニットに特に適する。ＬＩＤＡＲ受信ユニットは、通常はＬＩＤＡＲ測定システムの一部である。ＬＩＤＡＲ測定システムは自動車両に特に適する。複数の同一のＬＩＤＡＲ測定システムを自動車両に設置して、好適に車両の環境全体をモニタすることができる。

ＬＩＤＡＲ測定システムは、ＬＩＤＡＲ送信ユニット、透過レンズ、並びにＬＩＤＡＲ受信ユニット及び受光レンズを有する。更に好適には、ＬＩＤＡＲ測定システムは、評価ユニットによる測定データの評価を可能にし、且つ、自動車両の他のシステムと通信してデータを送信することができる電子機器を備える。具体的には、ＬＩＤＡＲ測定システムは、センサ素子のためのユニットとエミッタ素子のためのユニットとの、厳密には二つのユニットを有する。

送信ユニットは、レーザ・パルスを送信するための複数のエミッタ素子を有し、一方、受信ユニットは、レーザ・パルスを検出するための複数のセンサ素子を有する。エミッタ素子は、垂直共振器面発光レーザ、ＶＣＳＥＬとして好適に形成され、一方、センサ素子は、単一光子アバランシェ・ダイオード、ＳＰＡＤによって形成されることが好ましい。

センサ素子は、通常、エミッタ素子より小さい表面を有し、また、そのレーザ・パルスは、受信ユニットの上に投影される。結果としてレーザ・パルスによって二つ以上のセンサ素子を照射することができる。更に、様々な要因により、入射するレーザ光は、受信ユニットの異なる点に当たることがある。この実際の位置は、長い距離を隔てた対象物で反射した後、レーザ光が最適条件で受信ユニットに当たる最適基準位置からの変位として記述される。変位の大きさは一つ又は複数のセンサ素子の大きさ程度のこともある。

結果として受信ユニット上のセンサ素子の数は送信ユニットのエミッタ素子の数よりも多い方が好適である。具体的には、複数のセンサ素子が一つのエミッタ素子に概念的に割り当てられ、センサ素子の各々は、潜在的にエミッタ素子からレーザ・パルスを受け取ることができる。

マクロ・セルのセンサ素子は、すべて同じタイプであること、即ち例えば同じＳＰＡＤのみが設置されることが好適である。同様の状況は、送信ユニットのエミッタ素子に対しても好適である。

エミッタ素子及びセンサ素子は、送信ユニット又は受信ユニット上のチップの上に配置されることが好適であり、これらはそれぞれ、エミッタ・チップ及びセンサ・チップとも称される。このようなチップは、実質的に平らな表面を提供する。この平面、即ちその平面上に配置されたエミッタ素子及びセンサ素子は、それぞれのレンズの焦点のＬＩＤＡＲ測定システムの上に配置される。平面及び焦点におけるこの配置は、焦点面アレイ構成、ＦＰＡとも称される。全てのエミッタ素子が送信ユニットの上に実装され、また、全てのセンサ素子が受信ユニットの上に実装される場合、この配置はとりわけ好適である。

ＦＰＡ構成の送信ユニット及び受信ユニットを有するＬＩＤＡＲ測定システムは、静的になるように設計されることが好ましい。言い換えると、ＬＩＤＡＲ測定システム及びその構成要素が相対移動しないように、構成要素は固定位置に設置される。これによりＬＩＤＡＲ測定システムの費用対効果が高くなり、ＬＩＤＡＲ測定システムが頑丈になり、且つ、コンパクトになる。具体的には、ＬＩＤＡＲ測定システムは、自動車両上にも静的に配置される。

センサ素子は、マクロ・セル内の受信ユニット上に編成される。個々のマクロ・セルは複数のセンサ素子を有し、具体的には少なくとも二つのセンサ素子を有する。好適には、もっと多くのセンサ素子があってもよい。センサ素子の数は５から４０の間であることが好適である。

マクロ・セルは、送信ユニットのエミッタ素子に割り当てられる。この割当ては、基本的にレンズによって実現される。エミッタ素子及びセンサ素子は、対応するレンズによって特定の立体角でイメージングされ、エミッタ素子及びセンサ素子はこの立体角をモニタすることができる。したがってエミッタ素子と同じ立体角をモニタするセンサ素子は、エミッタ素子に割り当てられる。したがってマクロ・セルは、マクロ・セルのセンサ素子を介してエミッタ素子に割り当てられる。

送信ユニット上のエミッタ素子は、平面的な構成を有することが好ましい。エミッタ素子は、送信ユニットの送信チップ上にマトリックス構造で配置されることが好ましく、例えば行及び列、又は六角パターンで配置されることが好ましい。したがってマクロ・セルは、同じ空間構成で受信ユニット上に配置され、したがってエミッタ素子によって放出されたレーザ・パルスは、関連するマクロ・セル上にマッピングされる。

ＬＩＤＡＲ測定システムは、走査手順に従って動作することが好ましい。これにより、測定手順は、最初に、ある選択されたエミッタ素子とセンサ素子との対について実施され、次に、測定手順が、別に選択されたエミッタ素子とセンサ素子との対について実施される。例えば第１の測定手順は一つのライン即ち一行のエミッタ素子及びそれらに関連するセンサ素子について実施される。次に、別のライン即ち行に対して同じ測定手順が実施される。これは、実際に関連するセンサ素子に隣接して配置されるセンサ素子は、別の測定手順によって影響されないことを意味している。

受信ユニット上のマクロ・セルのセンサ素子は、少なくとも一つの読出しユニットに接続される。例えば読出しユニットは、ＴＤＣとしても知られる、時間－デジタル変換器によって実現することができる。読出しユニットは、センサ素子の測定値を読み出し、記憶素子にそれらを記憶し、好ましくは、ヒストグラムである。測定手順は、ＴＣＳＰＣ法、即ち時間相関単一光子計数法に従って実施されることが好ましい。

測定サイクルは、実質的に送信ユニットのエミッタ素子による光パルスの送信で始まり、また、実質的に測定期間の終了で終わる。この測定期間は、放出された光パルスが最大測定範囲を往復して移動するために要する時間に対応する。この光パルスは、光パルスを対応する立体角に導く透過レンズを通過する。必要に応じて、光パルスは対象物で反射され、次に、受光レンズを介してセンサ素子に入射する。

例えば光パルスが到達する時間は、記憶素子のヒストグラムにデジタル値として書き込まれる。検出された個々の光子は、このヒストグラムに記録される。測定システムの構成、及び送信ユニット及び受信ユニットの構成に応じて、この測定サイクルは、測定毎に一回又は複数回にわたって実施されてもよい。マルチプル・パスの場合、説明されている方法は、それに対応して頻繁に実施される。具体的には、ＴＣＳＰＣ法による測定手順では、測定サイクルは複数回、例えば２００回にわたって実施される。

飛行時間法即ち光パルスの走行時間を使用して、測定値から評価ユニットによって対象物までの距離を決定することができる。測定経路の長さは、約２マイクロ秒であるレーザ・パルスの近似走行時間に対応する約３００メートルであることが好適である。

一つ又は複数の読出し素子を一つのマクロ・セル上に形成することができる。センサ素子は、それに応じて一つ又は複数の読出し素子に接続される。個々のセンサ素子は、少なくとも一つの読出し素子に接続される。一つのセンサ素子は単一の読出し素子にのみ接続されることがとりわけ好適である。接続されるとは、読出し素子がセンサ素子の検出を読み出し、且つ、その検出からの情報を記憶素子に記憶することができることを意味している。センサ素子が活動状態にある場合、そのセンサ素子は、読出し素子によってのみ読み出すことができる。読出し素子は、マクロ・セルの全てのセンサ素子に接続されることがとりわけ好適である。しかしながら、このことにより、読出し素子が他のマクロ・セルのセンサ素子に更に接続される可能性、例えば測定サイクルの間、非活動状態であるマクロ・セルのセンサ素子に接続されること、を排除しない。

マクロ・セルは、通常、ハードウェア構成に基づくのではなく、制御及び評価ロジックに基づいて規定される構造体である。しかしながらマクロ・セルは、特定のハードウェア構成、即ちセンサ素子及び読出し素子の熟考された配置及び接続によって規定することも可能である。マクロ・セル又はそのセンサ素子は、エミッタ素子の表面積又は入射レーザ光の投影面積より広い面積を覆うことが好ましい。これにより、上で述べた、近距離場及び遠距離場効果による変位を補償することができる。この変位は具体的には視差誤差によるものである。このような視差誤差の場合、変位は測定システムからの対象物の距離に依存する。マクロ・セルは、レーザ光の投影面積又はエミッタ素子の面積よりも少なくとも数倍広い面積を覆うことが好ましい。

センサ素子は、個別に、或いはまとめてグループ化された複数のセンサ素子として活動状態及び非活動状態にすることができる。第１の変形態様がとりわけ好ましい。グループ化された活動状態化は、マクロ・セルのサブセットであることが好ましい複数のセンサ素子の同時活動状態化又は同時非活動状態化に対応する。ＳＰＡＤにおける活動状態化及び非活動状態化は、例えばバイアス電圧を高くするか、或いは低くすることによって達成される。非活動状態化された素子は、入射する光子を検出することができず、また、読出し素子によって読み出すこともできない。活動状態のセンサ素子に入射する光子は、読出し素子によって読み出すことができる。

センサ素子の活動状態化及び非活動状態化は、直接であっても、或いは間接であってもよい。例えばＳＰＡＤを有する直接活動状態化の場合、ＳＰＡＤが活動状態になるようバイアス電圧が印可される。非活動状態化の場合、バイアス電圧がそれに対応して閾値未満に低減される。間接活動状態化又は間接非活動状態化の場合、センサ素子自体は常に活動状態であり、即ち前の例ではバイアス電圧が印可されている。その代わりに例えば読出し素子が非活動状態にされるか、又は検出された光子のメモリへの記憶が不能にされ、或いは防止される。

測定サイクルの間、第１の時点でセンサ素子の少なくともサブセットが活動状態にされる。これらのセンサ素子は、すべて一つのマクロ・セルのうちの一部であることが好ましい。したがってマクロ・セルの少なくとも一つのセンサ素子を活動状態にすることは、マクロ・セルも活動状態になることを意味している。第１の時点は、測定サイクルの開始点、具体的には光パルスがエミッタ素子によって放出される前、放出と同時、又は放出された後に置かれることが好ましい。

センサ素子が活動状態にされると、それらは光子を検出することができる。例えば、放出されて、反射したレーザ光がセンサ素子に当たるか、或いは周囲放射線からの光子がセンサ素子に当たると検出することができる。活動状態の全てのセンサ素子は背景雑音レベルを高くし、この背景雑音レベルはセンサ素子によって検出される。照射されたセンサ素子を排他的に活動状態にすることにより、最も良好な可能信号対雑音比を得ることができる。しかしながら測定時間が長くなると、入射レーザ光の位置が変化し、したがってセンサ素子が放出されたレーザ光を検出することができるのは、測定サイクルの特定の時間セグメント内にすぎない。

したがって第１の時点の後に生じる、測定サイクル内の第２の時点で、一つ又は複数のセンサ素子が活動状態にされ、及び／又は一つ又は複数のセンサ素子が非活動状態にされる。これらは、活動状態のマクロ・セルのセンサ素子であることが好ましい。これは、反射したレーザ光を検出することができるセンサ素子が的確に活動状態であることを意味している。更に、非活動状態のセンサ素子は背景雑音の増加に寄与しない。

例として、測定サイクルの間、マクロ・セルの全てのセンサ素子が活動状態にされる。近距離場における測定の場合、反射したレーザ光の強度が比較的高く、したがって背景雑音レベルが高いにもかかわらず、入射レーザ光を容易に検出することができる。遠距離場測定、即ち第２の時点では、センサ素子のうちのいくつかが非活動状態にされ、したがって背景雑音が小さくなり、また、活動状態であるのは、レーザ光を検出することができるセンサ素子のみである。

具体的には、第２の時点で一つ又は複数のセンサ素子を活動状態にすることができる。別の方法として、第２の時点で一つ又は複数のセンサ素子を非活動状態にすることもできる。あるいは、一つ又は複数のセンサ素子を活動状態にし、また、それと同時に一つ又は複数の他のセンサ素子を非活動状態にすることも可能である。また、それと同時に、同一の時点に加えて、センサ素子の活動状態化及び非活動状態化の一時的近位シーケンスをも包含している。

この方法は、例えば単一の測定サイクルのみを必要とする他の方法に加えて、とりわけ、複数の測定サイクルを実施するＴＣＳＰＣに使用することができる。

測定サイクルの測定時間が終了すると、センサ素子、ひいてはマクロ・セルが再び非活動状態にされる。必要な測定サイクル数の後、得られた測定データが評価ユニットによって評価される。検出された光子の飛行時間に基づいて、対象物及びそれらの距離が決定される。

評価ユニットは、独立型構成要素として、又は受信ユニットと一体部品として設計することができる。

上記によれば、第３の時点又は他の時点で、一つ又は複数のセンサ素子を活動状態にし、及び／又は一つ又は複数のセンサ素子を非活動状態にすることができる。

したがって、対象となるセンサ素子の活動状態化及び非活動状態化により、ＬＩＤＡＲ測定システム又はＬＩＤＡＲ受信ユニットのローカル及びリモート検出の改善を達成することができる。

例えばこのようなＬＩＤＡＲ測定システムに対する一般的な検出範囲は３００メートルであり、これは、対象物までの３００メートルの距離を往復するのに要するパルスの走行時間が約２マイクロ秒であることを意味している。

以下、方法の好適な実施形態について説明する。

第１の時点と第２の時点の間の時間間隔は、５０ナノ秒と５００ナノ秒の間の長さ、とりわけ２００ナノ秒であることが特に好ましい。

時点と時点の間の２００ナノ秒の時間は、光パルスの６０メートルの飛行時間即ち３０メートルの測定距離にほぼ対応する。これは、近距離場検出を最適化しつつ、より遠い測定距離について最適な信号対雑音比を維持するために好適な比率である。具体的には、１５０ナノ秒と３５０ナノ秒の間の時間間隔は、同様に、特に好ましい。

測定システムのハードウェア設計に応じて、二つの測定範囲の間の切換えは、規定された最大測定範囲の５％と５０％の間で生じることが好ましい。

予想入射レーザ光（入射の可能性があるレーザ光）は、測定サイクルの継続期間にわたって受信ユニットで変位を受け、センサ素子は活動状態領域を形成し、また、その活動状態領域がこの変位に追従するように活動状態及び／又は非活動状態になることが好ましい。

上記のように、変位は視差効果によって生じる。したがって、少なくとも、反射レーザ光の入射が予想されるセンサ素子が確実に活動状態になる。

一例では、受信ユニット上の予想される入射レーザ・スポットは、数行のセンサ素子を越えて上に向かって移動する。一変形態様では、この場合、全てのセンサ素子が活動状態であってもよく、もはや照射されない下側の半分は、第２の時点で非活動状態にされる。又は、一番下から一番上まで、行毎に連続的にセルが非活動状態にされる。活動状態のラインの上の一つのラインが連続的に活動状態にされ、活動状態のうちのラインの一番下のラインが非活動状態にされるように、二つのラインが常に活動状態であってもよい。

したがってセンサ素子は予想される入射レーザ・スポット自体に追従するのではなく、むしろ、まさにレーザ光が到達するセンサ素子が活動状態になる。

具体的には、これらの活動状態のセンサ素子は活動状態領域を形成する。この活動状態領域は、予想入射レーザ光の変位に追従する。この活動状態領域は、単一のマクロ・セルのセンサ素子によって形成されることが好ましい。

更に、請求項３に係る、ＬＩＤＡＲ受信ユニットのローカル及びリモート検出を改善する他の方法が提案される。この方法も、最初に述べた目的を達成する。従属請求項は、好適な実施形態の記述を含む。

方法のアプリケーションのためのＬＩＤＡＲ受信ユニットの基本構造は、上記の基本構造と実質的に同一である。したがって以上の説明は、必要な変更を加えて、以下で説明する方法に適用することができる。以下、測定システム又は受信ユニット間の相違について詳細に説明する。

ここでも、受信ユニット及び送信ユニットは、焦点面アレイ構成で実装され、その平面は、対応するレンズの焦点に配置される。更に、マクロ・セルがエミッタ素子に割り当てられるか、或いはエミッタ素子が対応するレンズによって受信ユニットのマクロ・セルの上にマッピングされる。

受信ユニットは複数のセンサ素子を有する。センサ素子はマクロ・セルに割り当てられ、マクロ・セルは少なくとも二つのセンサ素子を有する。マクロ・セルは、少なくとも一つの第１の読出しセル及び一つの第２の読出しセルの複数の読出しセルに更に細分される。第１の読出しセルは、少なくとも一つの第１のセンサ素子及び一つの第１の読出し素子を有し、少なくとも一つのセンサ素子は第１の読出し素子に接続される。更に、第２の読出しセルは、少なくとも一つの第２のセンサ素子及び一つの第２の読出し素子を有し、少なくとも一つの第２のセンサ素子は第２の読出し素子に接続される。個々の読出しセルは複数のセンサ素子を有することが好ましく、読出しセルのセンサ素子の総数は、より高いレベルのマクロ・セルのセンサ素子の数に対応する。

複数のセンサ素子が読出しセルの中に形成される場合、個々のセンサ素子は一つの読出し素子に接続されることが好ましい。必要に応じて、読出しセルの全てのセンサ素子を同じ読出し素子に接続することができる。二つ以上のセンサ素子及び二つ以上の読出し素子が読出しセルの中に形成される場合、第１のセンサ素子は、それぞれ専用の第１の読出し素子に接続することができ、或いはグループ内の第１の読出し素子に接続することができる。第２の読出しセル及びその第２のセンサ素子並びにその第２の読出し素子についても同様である。一つのセンサ素子は、一つの読出し素子に接続されることが好ましく、読出し素子は、二つ以上のセンサ素子に接続されることも可能である。読出し素子は、異なるマクロ・セルの二つ以上のセンサ素子に接続されることも可能である。

測定サイクルの間、第１の時点で読出しセルの少なくともサブセットが活動状態にされる。例えば単一の読出しセル、存在している場合は複数の読出しセル、さもなければマクロ・セルの全ての読出しセルであってもよい。センサ素子、関連する読出し素子及び記憶セルがまとめて活動状態である場合、読出しセルは活動状態である。言い換えると、例えばレーザ・パルスから入射する光子がセンサ素子によって検出されると、読出し素子が読み出され、メモリ素子内に記憶される。例えば、センサ素子を活動状態及び非活動状態にすることによって、並びに、読出しユニットを活動状態及び非活動状態にすることによって、読出しセルを制御することができる。

第１の時点の後に生じる、測定サイクル内の第２の時点で、一つの読出しセルが活動状態にされ、及び／又は一つの読出しセルが非活動状態にされる。したがって一つの読出しセルを活動状態にすることができる。別法としては、一つの読出しセルを非活動状態にすることができる。あるいは、一つの読出しセルが活動状態にされ、それと同時に別の読出しセルが非活動状態にされる。既存の他の読出しセルは、元の状態を維持する。

ここで述べる時点、及び、測定サイクルは、実質的に請求項１に係る方法に関する上記の説明に対応する。したがって上記説明は、本例にも適用することができる。

例として、第１の時点で第１の読出しセル及び第２の読出しセルが活動状態にされ、第２の時点で第１の読出しセルが活動状態を維持し、また、第２の読出しセルが非活動状態にされる。これにより背景雑音がより小さくなり、延いては測定データをより良好に評価することができる。

読出しセル毎に一つのセンサ素子のみ、又は複数のセンサ素子が活動状態であってもよい。しかしながら読出しセルのうちの全てのセンサ素子ではなく、それらのうちのいくつかが活動状態であることが好ましい。測定サイクルの終了時には、メモリ素子が読出しユニットによって満たされ、次に評価ユニットが飛行時間原理に従って、検出された対象物までの距離を決定することが特に好ましい。

以下に方法の好適な実施形態について説明する。

第１の時点と第２の時点の間の時間間隔は、１５０ナノ秒と５００ナノ秒の間の長さ、とりわけ２００ナノ秒であることが特に好ましい。

２００ナノ秒の時間セグメントの継続期間は、光パルスの６０メートルの飛行時間にほぼ対応する。これは、近距離場検出を最適化しつつ、対象物までの距離がより遠い場合に最適な信号対雑音比を維持するために、良好な比率である。具体的には、１５０ナノ秒から３５０ナノ秒までの間の時間間隔は、同様に特に好ましい。

測定システムのハードウェア設計に応じて、二つの測定範囲の間の切換えは、規定された最大測定範囲の５％から５０％までの間で行われることが好ましい。

予想入射レーザ光は、測定サイクルの継続期間にわたって受信ユニットで変位し、読出しセルは活動状態領域を形成し、また、その活動状態領域がこの変位に追従するように活動状態及び／又は非活動状態にされることが好ましい。

上記のように、変位は視差効果によって生じる。したがって、反射レーザ光が入射すると予測される読出しセルが確実に活動状態になる。

一例では、受信ユニット上の予想される入射レーザ・スポットは、数行の読出しセル素子を越えて上に向かって移動する。一変形態様では、この場合、全ての読出しセルが活動状態であってもよく、もはや照射されない下側の半分は、第２の時点で非活動状態にされる。別の方法としては、一番下から一番上まで、行毎に連続的にセルが非活動状態にされる。活動状態のラインの上の一つのラインが連続的に活動状態にされ、また、活動状態のラインの一番下の一つのラインが非活動状態にされるように、二つのラインが常に活動状態になるようにしてもよい。

したがって読出しセルは、予想される入射レーザ・スポット自体に追従せず、むしろ、まさにレーザ光が到達する読出しセルが活動状態になる。

具体的には、これらの活動状態の読出しセルは活動状態領域を形成する。この活動状態領域は、予想入射レーザ光の変位に追従する。この活動状態領域は、単一（同一）のマクロ・セルの読出しセルによって形成されることが好ましい。

第１の読出しセル及び第２の読出しセルに加えて、他のセルを同様に形成し、各々の更なる時間セグメントにおいて非活動状態及び／又は活動状態にされるようにしてもよい。例えば、これらを次々に非活動状態にしてもよい。

上記目的は、請求項７に係るＬＩＤＡＲ測定システムによっても達成される。

このＬＩＤＡＲ測定システムは、請求項１から６に係る方法のうちの一つ、又は上記の方法のうちの少なくとも一つに適用可能である。このようなＬＩＤＡＲ測定システムの物理的な実施形態については上記の説明に記載されている。

上記目的は、請求項８によるＬＩＤＡＲ測定システムによっても達成される。

このＬＩＤＡＲ測定システムは、請求項１から６に係る方法のうちの一つ、又は上記のうちの少なくとも一つに適する。このようなＬＩＤＡＲ測定システムの構造上の実施形態については上記の説明に記載されている。

測定システムは、様々な構成要素に加え、センサ素子を備えた受信ユニットを有する。更に、測定システムは、エミッタ素子を備えた送信ユニットを有することが好ましい。測定システムの制御素子は、ここではエミッタ素子及びセンサ素子の制御を行う。

具体的には、測定手順が同期的に行われるように、制御素子は、確実に個々の素子が適切な時点で活動状態及び非活動状態にされるようにする。このことは、一つの測定手順で複数の測定サイクルが実施される場合にとりわけ重要である。このような制御は、例えば、十分に正確な時間測定を行い、且つ、素子を切り換えるための時点を正確に規定するタイミング発生器によって実現される。このことにより、測定手順が複数の測定サイクルにわたって同期状態を確実に維持し、ひいては、最適な測定結果が得られる。これは、ＴＣＳＰＣ法が使用される場合に特に好ましい。

制御素子は、この場合、エミッタ素子及びセンサ素子の切換え時間を規定することができる。別の方法として、制御素子が、読出しセルのため、並びに測定システムの他の素子のための切換え時間を同様に規定してもよい。具体的には、制御素子は、ヒストグラムのための基準時間を与える。

以下、方法の例について図を参照しながら説明する。

ＬＩＤＡＲ測定システムの概略図である。 センサ素子を備えたＬＩＤＡＲ受信ユニットの細部の概略図である。 センサ素子を備えたＬＩＤＡＲ受信ユニットの細部の概略図である。 別の構成におけるＬＩＤＡＲ受信ユニットのさらなる変形例を示す図である。 測定サイクルのフロー・チャートである。

図１は、ＬＩＤＡＲ測定システム１０の概略図を示す。ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、受信ユニット１６及び受光レンズ１８に加えて、送信ユニット１２及び透過レンズ１４を備える。送信ユニット１２及び受信ユニット１６は、焦点面アレイ構成で実装されている。これは、送信ユニット１２のエミッタ素子２０及び受信ユニット１６のセンサ素子２２が平らな表面に形成されていることを意味している。この平らな表面は、例えばチップによって形成することができる。更に、ユニット１２及び１６は、透過レンズ１４及び受光レンズ１６の焦点面又は焦点に配置されている。

エミッタ素子２０は、垂直共振器面発光レーザ即ちＶＣＳＥＬとして設計されていることが好ましい。センサ素子２２は、ＳＰＡＤとしても知られている単一光子アバランシェ・ダイオードによって形成されていることが好適である。この構成は、可動部品が不要であるという利点がある。

送信ユニット１２及び受信ユニット１６は、複数のエミッタ素子２０又は複数のセンサ素子２２を備え、これらは、レンズ１４及び１８によってそれぞれの立体角に割り当てられている。送信ユニット及び受信ユニット２２は、それぞれに割り当てられたエミッタ素子２０及びセンサ素子２２を備える。図１は、明確にするために誇張された例を示したものであり、二つのエミッタ素子２０及び二つのセンサ素子２２を備えている。図に示す例では、送信ユニット１２は二つのエミッタ素子２０ａ及び２０ｂのみを備え、また、受信ユニット１６は二つのセンサ素子２２ａ及び２２ｂのみを備える。測定システム１０におけるセンサ素子２２及びエミッタ素子２０の数は、一般的にはもっと多い。図１を使用して、視差効果について基本的に説明する。

測定サイクルの間、エミッタ素子２２はレーザ光、好ましくは、レーザ・パルスを放出する。このレーザ光は、透過レンズ１４を介して第１の立体角２４中に放出される。レーザ・パルスは、次に、存在している任意の対象物上で反射され、また、受光レンズ１８を介して受信ユニット１６上に投影される。センサ素子２２も、レンズを介して特定の立体角２６を観察する。

図に示す例では角度及びアスペクト比が誇張されている。エミッタ素子２０ａがそのレーザ光を放出する第１の立体角２４ａは、１０度の発散角を有しており、また、約２０度だけ上に向かって傾斜している。エミッタ素子２０ｂがレーザ光を放出する第１の立体角２４ｂは、傾斜していないが、１０度の発散角を有している。二つのセンサ素子２２ａ及び２２ｂについても同様であり、センサ素子２２ａは、受光レンズ１８を介して、１０度の発散角で約２０度の上に向かう傾きを有する第２の立体角２６ａを観察し、また、センサ素子２２ｂは、受光レンズ１８を介して、０度の傾き及び１０度の発散角で立体角２６ｂを観察している。

図１の誇張された表現から、立体角２４と２６との間に必ずしも重畳が存在するとは限らないことは明確である。それでも、エミッタ素子２０ａはセンサ素子２２ａに割り当てられ、また、エミッタ素子２０ｂはセンサ素子２２ｂに割り当てられている。これらの立体角は、遠距離では実質的に完全に重畳することになる。図１に示す近距離範囲では、小さな重畳しか示されておらず、また、この重畳は領域ＩＶにしか生じていない。この近距離範囲では、異なる立体角間の重畳には種々の領域がある。第１の領域Ｉでは、立体角の重畳は存在しない。領域ＩＩでは、第１の立体角２４ｂと第２の立体角２６ａの間に初めて重畳が発生する。対象物がＬＩＤＡＲ測定システム１０からこの距離に存在している場合、受信ユニットは反射したレーザ・パルスを検出することができる。

領域ＩＩＩについても同様であり、重畳は、二つの立体角の間に存在し続けている。重畳は、領域ＩＩで大きくなり、領域ＩＩＩで再び小さくなっており、この重畳は位置２で最大になり、位置３に向かって再び小さくなる。立体角２４ｂと２６ｂの間の重畳は、領域ＩＶ内の位置３から始まり、より遠距離にある最大重畳に向かって大きくなる。この誇張された実施形態の一例では、対象物の検出は、位置２に向かうにつれ、及び、領域ＩＶの終わり即ち遠距離で、最も良好になる。また、対象物で反射されてから受信ユニット１６に入射するレーザ光は、対象物が接近すると、センサ素子２２に沿って移動することも分かる。受信ユニット１６上に投影される光は、対象物が接近すると必ず送信ユニット１２へ向かって移動する。この場合はセンサ素子２２ｂからセンサ素子２２ａまで移動する。この意味において、遠隔にある対象物Ａはセンサ素子２２ｂによって検出され、一方、近距離場にある対象物Ｂはセンサ素子２２ａによって検出される。

このような測定システム１０の具体的な実施形態では、実質的には全ての領域にわたって連続的に検出できるように、もっと多くのセンサ素子２２が受信ユニット１６上に配置される。

このように、出射され、反射されたレーザ・パルスがセンサ素子２２によって検出され、センサ素子２２は読出し素子２８によって読み出され、得られた測定データは評価ユニット３０によって評価される。飛行時間の原理が適用される。ほとんどの場合、読出しユニット２８は、測定データをメモリ素子に一時的に記憶し、評価ユニット３０は、このメモリ素子から測定データを受け取る。その後、評価されたデータを車両の他の構成要素に渡してもよい。

図２ａは、送信ユニット１２及び受信ユニット１６を示す。例として、これらは上下に配置されているが、隣合せに配置することも可能である。図では、エミッタ素子及びセンサ素子とともに、送信ユニット１２及び受信ユニット１６の微小セクションだけを示している。送信ユニット１２はエミッタ素子２０ａ及び２０ｂを備え、受信ユニット１６はセンサ素子２２ａ及び２２ｂを備える。センサ素子２２はマクロ・セル３２の中に配置されており、この図ではマクロ・セル３２は箱型の枠として示されている。ここでは、評価ユニット３０の論理的区分は、例えばハードウェアに基づくマクロ・セル３２の分割にも対応している。

受信ユニット１４は、送信ユニット１２が備えるエミッタ素子２０の数よりも多くのセンサ素子２２を備える。これは、一方では視差効果のためであり、また、他方では受信ユニット１６上へのエミッタ素子２０のマッピング特性のためでもある。具体的には、エミッタ素子２０によって照射される面積は、センサ素子２２の面積よりも広い。マクロ・セル３２は、エミッタ素子の潜在的結像領域に配置されているセンサ素子２２によって画定されている。受信ユニット１６上のエミッタ素子２０の結像領域は、エミッタ素子２０自体の表面よりも広い。これは、既に説明した効果によるものである。

この場合、個々のマクロ・セル３２は、自身の個別のセンサ素子２２ａ及び２２ｂを備える。マクロ・セル３２ａはセンサ素子２２ａを備え、マクロ・セル３２ｂはセンサ素子２２ｂを備える。しかしながら、センサ素子をいくつかのマクロ・セルに割り当てることも可能である。これは、マクロ・セルは互いに重畳し得ることを意味している。例として、遠距離にある対象物で反射する場合に、対応するマクロ・セル３２ａ及び３２ｂ上における、エミッタ素子２０ａ及び２０ｂの理論的結像点を表す円３４を描く。更に、例として、近距離範囲における結像特性を示す破線の円３６を示す。既に述べたように、送信ユニット１２は受信ユニットの上方に配置されているため、受信ユニット１４に入射するレーザ光は、理論的遠距離場位置から始まる遠距離場から、送信素子１２に向かって、つまり上に向かって移動する。

図２ａのセンサ素子は、部分的に黒く塗りつぶされた、即ち活動状態のセンサ素子２２であるか、又は斜線が施された、即ち非活動状態のセンサ素子２２として示されている。センサ素子２２の各々は、個別に活動状態及び非活動状態にすることができる。ＳＰＡＤの場合、これは、バイアス電圧を高くし、或いは低くすることによって実現することができる。個別に活動状態及び非活動状態にする設備により、レーザ光が当たると予想されるセンサ素子を活動状態にすることが常に可能である。したがって、例えば結像誤差を補償することができる。

関連するマクロ・セル３２は、測定サイクルの開始時に活動状態にされる。測定サイクルの開始時に、例えばセンサ素子のサブセットが活動状態にされる。必要に応じて、活動状態のマクロ・セル３２の全てのセンサ素子が活動状態であってもよい。マクロ・セル３２は、具体的には、少なくとも一つの関連するセンサ素子が活動状態である場合に活動状態であり、読出し素子２８によって測定データを読み出すことができる。読出し素子２８は図２ａ及び図２ｂに示されており、また、この場合、それぞれのマクロ・セル３２の全てのセンサ素子２２に接続されている。

近距離場検出及び遠距離場検出を改善するために、センサ素子２２は、測定サイクルの異なる時点で活動状態及び／又は非活動状態にされるが、この場合は後者である。マクロ・セル３２のセンサ素子２２を、第１のセンサ素子２２ｘ及び第２のセンサ素子２２ｙに分割することもできる。必要に応じて、第３のセンサ素子、更に追加センサ素子を形成することもできる。

測定サイクル内の第１の時点で、マクロ・セル３２の第１のセンサ素子２２ｘ及び第２のセンサ素子２２ｙが活動状態にされる。この第１の時点は、測定サイクルの開始時又はその少し後であることが好ましい。図２ａでは、これらセンサ素子は、色を付けることによって示されている。活動状態のセンサ素子２２は完全に色で塗り潰されている。反射したレーザ光によって最も良好に照射されるのは、これらの活動状態のセンサ素子２２である。部分的にしか照射されない他のセンサ素子は非活動状態にされ、斜線が施されている。照射されたセンサ素子のみが有意な測定値を決定することができるため、これにより最適な信号対雑音比を実現することができる。照射されない、或いは不十分に照射されるセンサ素子２２は、主として、信号対雑音比を低下させる周囲照射、即ち雑音背景を検出する。

第１のセンサ素子２２ｘ及び第２のセンサ素子２２ｙを活動状態にすることにより、近距離範囲内の対象物を検出することができる。ＬＩＤＡＲ測定システム１０と対象物とが近接しているため、高い強度を得ることもできる。これにより、複数のセンサ素子を使用することによる困難性を伴うことなく、雑音背景の増加を補償することができる。測定サイクルの継続期間が長くなると、第１の時間セグメントが終了し、その後に第２の時間セグメントが第２の時点で開始する。

測定サイクル中の第２の時点では、第１のセンサ素子２２ｘは活動状態を維持し、一方、第２のセンサ素子２２ｙは非活動状態にされる。これは、例えば、約２００ナノ秒間後でもよい。これは、約３０メートルの距離にある対象物に対応し、この距離から、立体角２４及び２６は、遠距離場において既に十分に重畳していると仮定することができる。言い換えると、対象物までの距離が長くなると、入射するレーザ・パルスは、破線の円３６から円３４に向かって移動する。

今は照射されていない第２のセンサ素子２２ｙを非活動状態にすることにより、背景雑音を著しく小さくすることができる。これにより、後方散乱レーザ光の強度の低下も補償する。

第１の時間セグメント内では、センサ素子２２ｘ及びセンサ素子２２ｙが測定に寄与し、一方、第２の時間セグメントでは、センサ素子２２ｘのみが測定に寄与する。したがって第１の時間セグメント内では、センサ素子２２ｘ及び２２ｙは活動状態領域を形成する。第２の時間セグメントの間、活動状態領域はセンサ素子２２ｘのみを備える。更に、例えば第３のセンサ素子２２又は第４のセンサ素子２２が使用される場合、それに応じて、より多くの時点において、センサ素子が連続的に非活動状態にされる必要がある。

例えばセンサ素子２２ｘでも２２ｙでもないセンサ素子２２は、較正に基づいて非活動状態にされる。この較正は、例えば使用されるレンズの公差又は不正確性による、例えば静的結像誤差を決定する。このようなセンサ素子は、測定サイクル全体にわたって非活動状態を維持することができる。

図１は制御素子２９も示している。この制御ユニットは、測定サイクル及び測定手順の適切なタイミング・シーケンスの連携をとる。このユニットは、適切な時点でエミッタ素子２０及びセンサ素子２２を活動状態及び非活動状態にする。具体的には、このような制御素子２９は、タイミング発生器としても知られている。

図４は、このような測定サイクルの対応するシーケンスを示す。シーケンスは、時間軸３８に沿ってプロットされている。測定サイクルはステップ４０で始まる。第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子は、測定サイクルの開始時又はそこから少しオフセットした第１の時点で、ステップ４２で活動状態にされる。第１の時間セグメント３８ａが経過した後、ステップ４４で第２のセンサ素子が第２の時点で非活動状態にされる。第２の時間セグメント３８ｂが経過した後、測定サイクル４８が終了し、残りの第１のセンサ素子がステップ４６で非活動状態にされる。最後に、ステップ４６で全てのセンサ素子が非活動状態にされる。ステップ４４からの第２のセンサ素子２２ｙの非活動状態は、図２ｂに示されている。第１のセンサ素子２２ｘのみが活動状態を維持し、センサ素子２２ｙは非活動状態にされることが明確である。

例えばこのような測定サイクルは、測定手順の間に一度だけ実施してもよい。ＴＣＳＰＣ処理に従った測定手順の間、このような測定サイクルが複数回繰り返される。

別の変形例は図３に示されている。ＬＩＤＡＲ測定システム１０の構成は、上記の設計変形例のＬＩＤＡＲ測定システム１０の構成と実質的に同じである。上記説明は同様に適用される。相違を説明する。

マクロ・セル３２は読出しセル５０に分割されている。この場合、マクロ・セル３２は、少なくとも一つの第１の読出しセル５０ａ及び一つの読出しセル５０ｂを備える。各読出しセル５０は個別の読出し素子２８を備え、各読出し素子２８は、読出しセル５０のセンサ素子２３に接続されている。したがって第１の読出しセル５０ａの第１のセンサ素子２３ａは第１の読出し素子２８ａに接続され、第２の読出しセル５０ｂの第２のセンサ素子２３ｂは第２の読出し素子２８ｂに接続されている。

この実施形態の一例では、読出しセル５０毎に一つの読出し素子２８が形成されている。しかしながら他の設計変形例によれば、更なる読出し素子２８ａ及び２８ｂを、それぞれの読出しセル５０の中に形成することが可能である。

原理的には、第１の読出しセル５０ａの読出し素子２８は、他の第１の読出しセル５０ａの更なる第１のセンサ素子２３ａに接続することもできる。第２の読出しセル５０ｂの第２のセンサ素子２３ｂについても同様である。

この方法のタイミング・シーケンスは、図２ａ、図２ｂ及び図４のタイミング・シーケンス、並びにそれに付随する説明と実質的に同じである。しかしながらこのように活動状態及び非活動状態にされるのはセンサ素子２３ではなく、読出しセル５０ａ及び５０ｂである。したがって第１の時間セグメントでは、読出しセル５０ａ及び５０ｂが活動状態であり、一方、第２の時間セグメントでは読出しセル５０ｂが非活動状態である。

しかしながら、この場合、センサ素子は必ずしも活動状態及び非活動状態にされない。読出しセルを活動状態又は非活動状態にすることも可能である。これは、例えば、読出し素子自体を活動状態又は非活動状態にすることによって、或いは読出し素子がメモリへ書込みできる時間窓を画定することによって実現することができる。これは、対応する読出し素子のみが第１の時間セグメント及び／又は第２の時間セグメント内でセンサ素子の測定データを読み出し、且つ、それらをメモリ素子に記憶することを意味している。

測定処理が完了すると、評価ユニット３０は、近距離場のための第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子を使用して、また、遠距離場のための第１の読出しセル５０ａの第１のセンサ素子２３ａの測定値のみを使用して、対象物までの距離を計算する。このことにより、改善された信号対雑音比も得られる。

図４は、実質的に同様に解釈することができる。必要なことは、ステップ４２、４４及び４６におけるセンサ素子の活動状態化又は非活動状態化を、読出しセルの活動状態化又は非活動状態化に置き換えることのみである。

１ 位置
２ 位置
３ 位置
１０ ＬＩＤＡＲ測定システム
１２ 送信ユニット
１４ 透過レンズ
１６ 受信ユニット
１８ 受光レンズ
２０ａ、ｂ エミッタ素子、ＶＣＥＬ
２２ａ、ｂ センサ素子、ＳＰＡＤ
２３ａ、ｂ センサ素子、ＳＰＡＤ
２２ｘ 第１のセンサ素子
２２ｙ 第２のセンサ素子
２４ 第１の立体角
２６ 第２の立体角
２８ 読出し素子
２８ａ 第１の読出し素子
２８ｂ 第２の読出し素子
２９ 制御素子
３０ 評価ユニット
３２ マクロ・セル
３２ａ 第１のマクロ・セル
３２ｂ 第２のマクロ・セル
３４ 円
３６ 破線の円
３８ 時間軸
３８ａ 第１の時間セグメント
３８ｂ 第２の時間セグメント
４０ ステップ、測定サイクルの開始
４２ ステップ、第１のセンサ素子及び第２のセンサ素子を活動状態にする
４４ ステップ、第２のセンサ素子を非活動状態にする
４６ ステップ、第１のセンサ素子を非活動状態にする
４８ ステップ、測定サイクルの終了
５０ 読出しセル
５０ａ 第１の読出しセル
５０ｂ 第２の読出しセル
Ｉ 第１の領域
ＩＩ 第２の領域
ＩＩＩ 第３の領域
ＩＶ 第４の領域
Ａ 対象物
Ｂ 対象物

Claims (5)

1. ＬＩＤＡＲ受信ユニット（１６）の近距離場検出及び遠距離場検出を改善する方法であって、
   前記受信ユニット（１６）が複数のセンサ素子（２２）を有し、
   前記複数のセンサ素子（２２）が活動状態領域を形成するように、前記複数のセンサ素子（２２）は直接的又は間接的に活動状態及び非活動状態にされることができ、
   予想入射レーザ光が、測定サイクルの継続期間にわたって前記受信ユニット（１６）で変位し、
   前記複数のセンサ素子（２２）の前記活動状態領域が前記予想入射レーザ光の前記変位に追従するように、前記測定サイクル内の第１の時点と前記第１の時点の後に生じる第２の時点とで、前記複数のセンサ素子（２２）を活動状態又は非活動状態に切り替える、
   方法。
2. ＬＩＤＡＲ受信ユニット（１６）の近距離場検出及び遠距離場検出を改善する方法であって、
   前記受信ユニット（１６）が複数のセンサ素子（２２）を有し、
   マクロ・セル（３２）が、少なくとも一つの第１の読出しセル（５０ａ）及び一つの第２の読出しセル（５０ｂ）を含む複数の読出しセル（５０）を有し、
   前記第１の読出しセル（５０ａ）が、第１の読出し素子（２８ａ）に接続される少なくとも一つの第１のセンサ素子（２２ａ）を有し、
   前記第２の読出しセル（５０ｂ）が、第２の読出し素子（２８ｂ）に接続される少なくとも一つの第２のセンサ素子（２２ｂ）を有し、
   前記複数の読出しセル（５０）が活動状態領域を形成し、
   予想入射レーザ光が、測定サイクルの継続期間にわたって前記受信ユニット（１６）で変位し、
   前記複数の読出しセル（５０）の前記活動状態領域が前記予想入射レーザ光の前記変位に追従するように、前記測定サイクル内の第１の時点と前記第１の時点の後に生じる第２の時点とで、前記複数の読出しセル（５０）を活動状態又は非活動状態に切り替える、
   方法。
3. 前記第１の時点と前記第２の時点との間の時間間隔が、５０ナノ秒から５００ナノ秒までの長さである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の時点と前記第２の時点との間の時間間隔が２００ナノ秒である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法を使用するＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。

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