JP2022518493A - 光学系、特にＬｉＤＡＲシステム、および車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの光送信器（１２）と、少なくとも１つの光検出器（１３）と、を含む、光学系（１１）、特にＬｉＤＡＲシステムが記載される。光送信器（１２）は、第１の光路（１４）に沿って周辺に走査光線を放出するように設定されている。光検出器（１３）は、第２の光路に沿って周辺から反射光線を受信するように設定されている。第１の光路（１４）および第２の光路の少なくとも１つにおいて、互いに９０°傾いた２つの鏡面（１５、１６）が、光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面に偏向させる。この種の公知な光学系は、視野が制限されており、走査面に対して垂直に均一な走査ができない。本発明によれば、２つの平面に垂直な１つの回転軸を中心に共に回転する際に周辺の走査が行われるように、鏡面（１５、１６）は回転可能に支承され、互いに連結されているため、回転中に光線の傾きが発生しない。走査光線のビームフォーミングは、少なくとも部分的に２つの鏡面（１５、１６）の湾曲部を介して、および／または、少なくとも部分的に第１の光路（１４）のビームフォーマ（１７）を介して行われる。また、本発明は、そのような光学系（１１）を含む車両に関する。

Description

本発明は、光学系、特にＬｉＤＡＲシステムであって、少なくとも１つの光送信器と、少なくとも１つの光検出器と、を含み、光送信器は、第１の光路に沿って周辺に走査光線を放出するように設定され、光検出器は、第２の光路に沿って周辺から反射光線を受信するように設定され、第１の光路および第２の光路の少なくとも１つにおいて、それぞれ９０°傾いた２つの鏡面が、光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面に偏向させる光学系、特にＬｉＤＡＲシステム、に関する。

特にＬｉＤＡＲシステム（英語：ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）のような光学系は、とりわけ光学的な距離および速度測定のためのレーダに類似した方法として機能している。しかし、レーダとは対照的に、はるかに小さくて近い物体をより高い精度で測定できるため、この技術は近年、特に自動車の周辺を測定するために重要視されている。

しかし、複数の光送信器や光検出器を使用せずに、光学系の広いＦｏＶ（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ、視野の英語）を取得することは難しいとされてきた。スキャニングＬＩＤＡＲシステムでは、通常、水平方向の空間分解能を得るために、回転部材を使用することが多い。ここでは、２つの手法がある。

手法１では、光送信器（通常１つまたは複数のレーザを含む）と光検出器とを備えたシステム全体が回転する。これは、回転部材への電源供給とデータ送信を実現しなければならないという欠点がある。

手法２は、光送信器と通常は光検出器も固定したまま、ビーム偏向光学系のみを回転させることで、手法１の欠点を回避している。
回転する光学系は通常、鏡であり、送信ビームと受信ビームの２つをある角度範囲で偏向させる。ここでも２つの手法がある。第１に、ビーム偏向の前後でビームが平面上にあるシステムがある。この種類の欠点は、ビームの偏向角が大きくなると、有効な鏡面積が減少するため、有効な送信面積および検出面積が小さくなることである。これにより、達成可能な水平方向のＦｏＶの角度スパンが制限され、大きい偏向角に対するシステムの解像度と精度が常に低下する。最大の送信面積および検出面積は、角度０°の時に得られる（走査光線の直接後方反射）。しかし、ここでは、送信または受信されたビームは、光送信器または光検出器によって遮られる。この理由から、この種類では、通常１０°～１５０°または－１０°～－１５０°の角度範囲のみを照射することができる（ここで、角度とは、光線の垂直入射に対する鏡面の回転角度を示す）。したがって、視野は死角を有する。多くの用途では、ＦｏＶは連続している必要があるため、通常は片側のみ、すなわち例えば１０°～１５０°が使用される。

このような解決策は、例えば、ＵＳ２０１５２６８３３１Ａ１（米国特許出願公開第２０１５２６８３３１号）およびＤＥ１０２０１００４７９８４Ａ１（独国特許出願公開第１０２０１００４７９８４号明細書）から知られている。

代替的に、ビームを通常２回９０°偏向させるシステムもある。この種類では、３６０°のＦｏＶを容易な方法で実現することができる。しかし、複数の画素を異なる角度で放出したり、レーザ線を放出したりする場合、すでにレーザ線として整形されている光線が偏向光学系に約４５°の角度で入射すると、角度が大きくなると垂直方向の線が水平方向の線の方向に傾いてしまうため、大きな立体角で線の向きを回転させないと線照明が実現できないという欠点が生じる。これは、結果的として偏向角が大きくなると、視野の垂直方向の広がりが小さくなることを意味する。しかし、これは多くの用途において望ましくなく、システムの精度が角度によって悪化することになる。

ＷＯ２０１１／１５０９４２Ａ１（国際公開第２０１１／１５０９４２号）は、風力タービンに関し、特に、ＬｉＤＡＲシステムを用いて風速を決定するための改良型ドップラー流速計を開示す。詳細な実施形態では、設計を簡素化するために、対応するＬｉＤＡＲシステムをステータに取り付け、風向きを追跡するための光路は、回転可能に支承された偏向鏡を介すことが提案されている。さらに、風向きに合わせた光路調整を改善するために、４５°傾いた第２の鏡による偏向も提案されている。

ＥＰ２１７２７９０Ｂ１（欧州特許第２１７２７９０号明細書）には、送信装置と受信装置とを含むＬｉＤＡＲシステムが開示されている。特に、この文書は対流圏の分子、粒子、エアロゾルを検出するための従来の光学系の構成要素を開示している。１つの直径を有する光線は、プリズムによって、光線をより大きな直径に拡大する光線エキスパンダに偏向される。光線は、２枚の調整可能な鏡を有するＺステージを通過し、Ｚステージは回転不能に支承されたペリスコープである。

本発明によれば、２つの平面に垂直な１つの回転軸を中心に共に回転する際に周辺の走査が行われるように、鏡面が回転可能に支承され、互いに連結されているため、回転中に光線の傾きが発生せず、走査光線のビームフォーミングは、少なくとも部分的に２つの鏡面の湾曲部を介して、および／または、少なくとも部分的に第１の光路のビームフォーマを介して行われる。

［発明の利点］
すなわち、本発明によれば、走査光線（例えば、レーザ光線）は、放出または受信された反射光線が、ビーム偏向後に２つの平行平面のうちの１つに位置するように、２つの鏡面を介して偏向される。これにより、鏡面の回転中に走査光線が傾くことを防止し、同時に大きなＦｏＶが実現される。

本発明によれば、１つの軸を中心に共に回転できる２つの鏡面を用いて、それぞれ９０°の二重のビーム偏向が行われる。このため、最も単純な場合では、鏡面は走査光線の伝搬面に対してそれぞれ４５°傾いている。

生成された走査光線は、まず、ビームフォーマによって成形される。２つの鏡面は、代替的または追加的に、ビームフォーミングのタスクも担うことができる。これは、鏡面の一方または２つが湾曲部を有するか、または他の光学素子を含むことを意味する。これにより、構成が簡素化され、エラーが発生しにくくなる。

光線は鏡面によって２回それぞれ９０°偏向される。２つの鏡面は、１つの軸を中心に共に回転する。偏向された光線は、２つの鏡面を含む偏向ユニットから、入射面から遠く離れた平行面に出るため、ビームは光送信器を支障なく通過できるようになる。光検出器はそれに応じて機能する。ここでは、受信した反射光は、回転式の偏向ユニットで２回９０°偏向され（ビームフォーマに当たる、および／または鏡面で成形される）、光検出器で検出される。用途によっては、光送信器と光検出器の２つ、または光送信器と光検出器のどちらかのみをこの方法で偏向させることが有意義である場合もある。

「光」という用語は、本出願の範囲において広く理解されるべきものであり、可視光のみではなく、赤外光および／または紫外光を含む場合もある。光送信器は、１つまたは複数の（好ましくは光学的な）レーザを含むことができる。

１つの実施形態では、光送信器および／または光検出器は、ステータ上に配置され、鏡面と共に回転しない。これにより、回転部材への電源供給やデータリンクが不要となり、構成が簡素化される。

別の好ましい実施形態では、第１の光路および第２の光路が重畳しているため、２つの光路が同一の鏡面を使用する。したがって、システムは同軸上に設計されていてもよい。これは第１の光路および第２の光路の一部が同一であることを意味する。すなわち、走査光線はまず成形（拡大）され、次に、反射光線の逆ビームフォーミングを、少なくとも部分的に２つの鏡面の湾曲部を介して、および／または少なくとも部分的に第１／第２の光路のビームフォーマを介して、同一のコンポーネントによって行うことができる。これにより、別個の第２の光路において通常であれば必要な追加部品を省くことができる。

代替的に、第１の光路および第２の光路において、それぞれ互いに９０°傾いた固有の一対の鏡面が、光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面へ偏向する。実施形態によっては、光検出器を光送信器から空間的にずらして配置することが望ましい場合がある。

好ましい実施形態では、走査光線は略線プロファイルに成形される。ここで、線プロファイルは有限の長さを有する。ここで、「略線プロファイル」とは、線プロファイルが絶対的に均一な線形状ではなく、単に伝搬方向に垂直な２つの横軸のうちの１つに沿って大きく伸びることを意味すると理解できる。例えば、線プロファイルは、偏心率の高いほぼ楕円形の断面を有することができる。

一実施形態では、走査光線の線プロファイルは、鏡面の回転により伝搬方向を中心に回転しない。これは、本発明にかかる鏡面の相対的な配置構成によって達成され、この配置構成は、非円形のビーム形状を有する走査光線の傾きの通常の発生を補償することができる。これにより、ＦｏＶ全体で著しく均一な走査結果を得ることができる。

本発明はさらに、実施形態のいずれか１つに従う少なくとも１つの光学系を含む車両に関し、光学系は、走査光線が車両の周辺を略水平に走査するように車両に設置されている。

一実施形態では、光学系は、少なくとも２００°、好ましくは少なくとも２５０°、特に好ましくは少なくとも３００°の連続した水平視野を提供する。異常に大きな視野は、走査光線を平行平面に移動させることによって、本発明にかかる光送信器または光検出器を「バイパス」することによって達成される。したがって、基本的に、２つの走査光線、すなわち例えば２つの光送信器と２つの光受信器を用いて、全方位走査が実現可能である。

一実施形態では、光学系は、その連続する視野の中心が車両の主な進行方向に配置されている。車載用途では、障害物を検知するために、通常、進行方向において可能な限り高い走査精度が望まれる。

一実施形態では、少なくとも１つの光学系は、その連続する視野の中心が、車両の主な進行方向と反対方向に配置されている。車載用途では、例えば後退時に後続車や障害物を検知するために、同時に進行方向と反対方向に対しても、同様に可能な限り高い走査精度が望まれる。

本発明の有利なさらなる改善形態は、従属請求項に記載され、本明細書に説明されている。
本発明の実施例を、図面および以下の説明を参照して詳述する。

従来技術の光学系の平面図。 偏向角０°の鏡を用いた従来技術の光学系。 偏向角９０°の鏡を用いた従来技術の光学系。 本発明にかかる光学系の平面図。 本発明にかかる光学系における第１の光路の説明図。 偏向角０°の本発明にかかる光学系。 偏向角９０°の本発明にかかる光学系。

図１は、共通のハウジングに収容された光送信器２と光検出器３とを含む従来技術の光学系１を示す。光送信器２は、第１の光路４に沿って走査光線を周辺に放出するように設定されている。光路には、ビームフォーミング用の光学素子５が配置されている。その後、走査光線は鏡面６に当たり、鏡面６は周辺を走査するために光線を偏向する。この光学系は、０°の偏向角を中心とした死角の左右に配置された、例えばそれぞれ１４０°の２つの別々のＦｏＶを有する。したがって、多くの場合、２つのＦｏＶのうち１つしか使用されず、光学系の機能が大幅に制限される。

図２および図３は、従来技術の別の問題点を示す。ここでは、図１と比較して、簡素化のために光路４と鏡面６のみが示されており、また、走査光線の形状を示す２つのスクリーン９、１０が示されている。走査光線はそれぞれ線プロファイルに成形されている。

図２は、走査面の０°の偏向角を示しており、走査光線はスクリーン９上に垂直な線プロファイルを生成する。これにより、（例えば車両用ＬｉＤＡＲにおいて）高さ方向に一定の範囲で走査することができる。

ここで、図３に示すように鏡面６を９０°回転させると、走査光線は第１の光路４内で傾き、スクリーン１０に水平に到達する。偏向角が０°から相違するほど、線プロファイルは高さ方向の走査に活用されなくなる。

図４は、少なくとも１つの光送信器１２と、少なくとも１つの光検出器１３と含む、本発明にかかる光学系１１、特にＬｉＤＡＲシステムを示す。光送信器１２は、第１の光路１４に沿って走査光線を周辺に放出するように設定されている。光送信器１２は、例えばレーザを含むことができる。光検出器１３は、周辺から第２の光路（明示的に示されていない）に沿って反射された光線を受信するように設定されている。第２の光路は、このケースのように第１の光路１４と逆方向に重畳してもよいが、別個に配置してもよい。第１の光路１４および第２の光路の少なくとも１つには、互いに９０°傾いた２つの鏡面１５、１６が配置されており、鏡面１５、１６は光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面に偏向させる（図５も参照）。

本発明によれば、鏡面１５、１６は、２つの平面に垂直な１つの回転軸を中心に共に回転する際に、周辺の走査が行われるように、互いに回転可能に取り付けられ、連結されている。この時、回転中に光線は傾かない（図６、７も参照）。

走査光線のビームフォーミングは、少なくとも部分的２つの鏡面の湾曲部を介して、および／または少なくとも部分的に第１の光路１４のビームフォーマ１７を介して行われる。その後、ビームは鏡面１５、１６によって２回それぞれ９０°偏向される。２つの鏡面１５、１６は、１つの軸を中心に共に回転する。偏向されたビームは、２つの鏡面１５、１６を含む偏向ユニットから、入射面から遠く離れた平行面に出るため、ビームは光送信器を支障なく通過できるようになる。偏向ユニットはしかしなおさらなる光要素を含む。光検出器１３はそれに応じて機能する。ここでは、受信した反射光は、回転式の偏向ユニットで２回９０°偏向され、任意選択的にビームフォーマに当たり、光検出器１３で検出される。用途によっては、このように光送信器１２からの第１の光路１４と、光検出器１３への第２の光路の両方をそれぞれ偏向させることが有意義である場合もあれば、光送信器１２からの第１の光路１４のみ、または光検出器１３への第２の光路のみをこのように偏向させることが有意義である場合もある。

２つの鏡面１５、１６は、代替的または追加的にビームフォーミングにおけるタスクも担うことができる。これは、鏡面１５、１６の１つまたは２つが湾曲部を有するか、または他の光学素子を含むことを意味する。すなわち、図４に示すビームフォーマ１７は任意である。

光学系１１は、約２００°の連続した水平視野１８を有する。しかし、３００°以上の途切れない視野も実現可能である。
異常に大きな視野は、鏡面１５、１６での二重反射によって走査光線を平行平面に移動させることにより、本発明にかかる光送信器１２または光検出器１３を「バイパス」することで達成される。これは、図４の実施形態を簡略化した図５の側面図に概略的に示されている。すなわち、本発明によれば、走査光線（例えばレーザ光線）は、ビーム偏向後に放出または受信された反射光線が２つの平行平面のうちの１つに位置するように、２つの鏡面１５、１６を介して偏向される。図５では、光送信器１２および光検出器１３が走査光線をこれ以上遮らないように、走査光線をある程度、平行な高い平面に移動させる。

本発明によれば、１つの軸を中心に共に回転することができる２つの鏡面１５、１６を用いて、それぞれ９０°の二重のビーム偏向が行われる。最も単純な場合では、図５に示すように、鏡面は互いに、かつ走査光線の伝搬面に対して４５°傾いている。

同時に、鏡面１５、１６の回転中に走査光線が傾くことは、図６および図７に示されるように、２つの鏡面１５、１６を使用することによって防止される。
図２および図３と同様に、図４と比較して簡素化するために、第１の光路１４および鏡面１５、１６のみが示されており、また、２つのスクリーン１９、２０が示されている。走査光線は、それぞれ線プロファイルに成形される。

図６は、走査面における０°の偏向角を示し、走査光線はスクリーン１９上に垂直な線プロファイルを生成する。これにより、（例えば車両用ＬｉＤＡＲにおいて）高さ方向に一定の範囲で走査することができる。

ここで、図７に示すように、鏡面１５、１６を共に９０°回転させると、第１の光路１４の走査光線は、傾くことなく、鏡面１５、１６の回転軸のみを中心に回転する。したがって、走査光線は、依然としてスクリーン２０上に垂直な線プロファイルを生成する。したがって、従来技術と比較して、より大きいＦｏＶのみならず、ＦｏＶ内の走査面に対して垂直な、より均一な走査を達成することができる。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの光送信器（１２）と、少なくとも１つの光検出器（１３）と、を含み、
   前記光送信器（１２）は、第１の光路（１４）に沿って周辺に走査光線を放出するように設定されており、
   前記光検出器（１３）は、第２の光路に沿って周辺から反射光線を受信するように設定されており、
   前記第１の光路（１４）および前記第２の光路の少なくとも１つにおいて、互いに９０°傾いた２つの鏡面（１５、１６）が、光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面に偏向させる、光学系（１１）、特にＬｉＤＡＲシステムであって、
   前記２つの平面に垂直な１つの回転軸を中心に共に回転する際に周辺の走査が行われるように、前記鏡面（１５、１６）は回転可能に支承され、互いに連結されているため、回転中に光線の傾きが発生せず、前記走査光線のビームフォーミングは、少なくとも部分的に前記２つの鏡面（１５、１６）の湾曲部を介して、および／または、少なくとも部分的に前記第１の光路（１４）のビームフォーマ（１７）を介して行われることを特徴とする光学系（１１）。
2. 前記光送信器および／または前記光検出器は、ステータ上に配置され、前記鏡面（１５、１６）と共に回転しない、請求項１に記載の光学系（１１）。
3. 前記第１の光路（１４）および前記第２の光路は重畳しているため、２つの光路が同一の鏡面（１５、１６）を使用する、請求項１または２に記載の光学系（１１）。
4. 前記第１の光路（１４）および前記第２の光路において、それぞれ互いに９０°傾いた固有の一対の鏡面（１５、１６）が、光線を第１の平面からそれに平行な第２の平面へ偏向する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系（１１）。
5. 前記走査光線は略線プロファイルに成形される、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学系（１１）。
6. 前記走査光線の前記線プロファイルは、前記鏡面（１５、１６）の回転により伝搬方向を中心に回転しない、請求項５に記載の光学系（１１）。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの光学系（１１）を含む車両であって、前記光学系（１１）は、走査光線が前記車両の周辺を略水平に走査するように前記車両に設置されている車両。
8. 前記光学系（１１）は、少なくとも２００°、好ましくは少なくとも２５０°、特に好ましくは少なくとも３００°の連続した水平視野（１８）を提供する、請求項７に記載の車両。
9. 少なくとも１つの光学系（１１）は、前記光学系（１１）の連続する視野（１８）の中心が、前記車両の主な進行方向に配置されている、請求項８に記載の車両。
10. 少なくとも１つの光学系（１１）は、前記光学系（１１）の連続する視野（１８）の中心が、前記車両の主な進行方向と反対方向に配置されている、請求項８または９に記載の車両。
    

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