(57)【要約】  ビームを生成し、かつ走査領域に沿ってビームを偏向するための送信ユニットを有し、および反射されたビームを受信するための少なくとも１つの検出器を備えた受信ユニットを有する、走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が開示されており、この検出器の個々の区域が、反射されたビームを検出するために、規定の時間間隔をあけて互いに前後してアクティブ化され得るか、または反射されたビームが偏向器により、変化する偏向角度で検出器の個々の区域へ偏向され得る。さらに、制御ユニットおよび受信ユニットが開示されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム（６）を生成し、走査領域（Ａ）に沿って前記ビーム（６）を偏向するための送信ユニット（２）と、
反射されたビーム（１４）を受信するための少なくとも１つの検出器（１０）を備えた受信ユニット（４）と
を有する、前記走査領域（Ａ）を走査するためのＬＩＤＡＲ装置（１）であって、
前記検出器（１０）の個々の区域（１６、１８）が、前記反射されたビーム（１４）を検出するために、規定の時間間隔で互いに前後してアクティブ化され得るか、または前記反射されたビーム（１４）が偏向器（１２）により、変化する偏向角度で前記検出器（１０）の個々の区域（１６、１８）へ偏向され得ることを特徴とするＬＩＤＡＲ装置（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの検出器（１０）がＣＣＤセンサとしてまたは検出器アレイとして形成されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
前記検出器（１０）の前記個々の区域（１６、１８）が点状に、面状に、または線状に成形されている、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
前記偏向器（１２）が音響光学変調器である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
前記ＬＩＤＡＲ装置（１）が、前記検出器（１０）および／または前記偏向器（１２）と接続された制御ユニット（８）を有している、請求項１から４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
前記ＬＩＤＡＲ装置（１）の到達距離範囲に対応する伝播時間の期間（ｔ１〜ｔＮ）内に、前記検出器（１０）の各区域（１６、１８）が少なくとも１回はアクティブ化または照射され得る、請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項７】
時間的にずれて反射された少なくとも２つのビーム（１４、２０、２２）が、前記検出器（１０）の異なるアクティブ化された区域（１７、１８、１９）によって検出され得るか、または前記偏向器（１２）により、前記検出器（１０）の異なる区域（１７、１８、１９）へもしくは互いに前後して前記検出器（１０）へ導かれ得る、請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置（１）の動作のための制御ユニット（８）であって、前記制御ユニット（８）が、前記ＬＩＤＡＲ装置（１）の偏向器（１２）または前記ＬＩＤＡＲ装置（１）の検出器（１０）を制御するために適応されている制御ユニット（８）。
【請求項９】
検出器（１０）を有する、とりわけ請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲ装置（１）のための受信ユニット（４）であって、前記検出器（１０）の個々の区域（１６、１８）が順次、均一な速度で、反射されたビーム（１４）を検出するためにアクティブ化され得るか、または前記検出器（１０）の前記個々の区域（１６、１８）が、偏向器（１２）により、変化する偏向度で、反射されたビーム（１４）によって照射され得る受信ユニット（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを生成し、かつ走査領域に沿ってビームを偏向するための送信ユニットを有し、および反射されたビームを受信するための少なくとも１つの検出器を備えた受信ユニットを有する、走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置に関する。さらに本発明は制御ユニットおよび受信ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＩＤＡＲ（ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒａｎｇｉｎｇ）装置は、ビームを送信するための送信ユニットと、事前に走査領域内で反射されたビームを検出するための受信ユニットとを有する。反射されたビームを検出するために検出器が用いられる。この検出器は通常、検出器のそれぞれの画素に対し、到着するビームの伝播時間を確定するために用いられる。検出器として、例えばフォトダイオードまたはＣＣＤセンサが使用され得る。
【０００３】
これに関しては、検出器の高い深さ方向分解能または到達距離分解能を達成するために、検出器を相応に高速にかつ頻繁に読み出す必要がある。その際、それぞれの画素またはダイオードが並列に読み出され得ることが理想である。
【０００４】
検出器として、ＣＣＤセンサは、検出器アレイに比べて読出速度が低く、よって制限された深さ方向の分解能が結果として生じるので、これまでは条件付きでしか用いることができなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の基礎となる課題は、とりわけ、伝播時間分析を従来のＣＣＤセンサの制限のない使用下で可能にするＬＩＤＡＲ装置を提案することに見いだされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、独立請求項のそれぞれの対象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対象である。
【０００７】
本発明の一態様によれば、走査領域を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が提供される。このＬＩＤＡＲ装置は、ビームを生成し、かつ走査領域に沿ってビームを偏向するための送信ユニットを有する。このＬＩＤＡＲ装置は、反射されたビームを受信するための少なくとも１つの検出器を備えた受信ユニットをさらに有し、これに関しては、反射されたビームを検出するための検出器の個々の区域が、規定の時間間隔（インターバル）で互いに前後してアクティブ化され得るか、または反射されたビームが偏向器により、変化する偏向角度で検出器の個々の区域へ偏向され得る。
【０００８】
本発明のさらなる一態様によれば、ＬＩＤＡＲ装置の動作のための制御ユニットが提供され、この制御ユニットは、ＬＩＤＡＲ装置の偏向器またはＬＩＤＡＲ装置の検出器を制御するために適応されている。制御ユニットはこれに加えて評価ユニットとして形成され得る。制御ユニットが、検出器によって得られた信号を、さらなる処理を行うために利用できることが好ましい。とりわけ、さらなる処理は高並列に行うことができ、この処理には並列に働くプロセッサ、例えばＧＰＵまたはＦＰＧＡがあり得る。
【０００９】
本発明のさらなる一態様によれば、とりわけＬＩＤＡＲ装置のための受信ユニットが提供される。受信ユニットは検出器を有し、これに関しては、検出器の個々の区域が順次、均一な速度で、反射されたビームを検出するためにアクティブ化され得るか、または検出器の個々の区域が、偏向器により、均一に変化する偏向度で、反射されたビームによって照射され得る。
【００１０】
このＬＩＤＡＲ装置および用いられる受信ユニットにより、ビームは、偏向器によって、異なる時間に、チップまたは検出器上の異なる場所へ導かれ得る。それによりチップ自体内での伝播時間分析を省略でき、したがって高速に稼働する検出器は必要ない。とりわけ、このＬＩＤＡＲ装置により読出速度への要求が低減され得る。
【００１１】
これにより伝播時間を検出器内の１つの場所にコード化でき、したがって伝播時間分析が画像分析に変換される。その代わりにまたはそれに加えて、受信されたビームで検出器またはセンサを表面に沿ってスキャンするのではなく、検出器の個々の行を互いに前後してアクティブに切り替えることができる。
【００１２】
ビームが、一定に変化する偏向度で検出器全域に偏向されることが好ましい。これにより、最小距離からの反射されたビームを、例えば検出器の縁区域内で結像でき、かつ最大距離から反射されて戻ってきたビームを、反対側の縁区域へ導くことができる。これにより検出器の全面が、反射されたビームの、様々なあり得る伝播時間の指標として役立ち得る。反射されたビームが検出される場所または区域を基に、対応するビームの伝播時間が導き出され得る。
【００１３】
偏向器は、到着するビームの、検出器面に沿った偏向度を例えば一定の速度で変化させ得る。例えば、ビームを放出する際、偏向器は反射されたビームが検出器の縁区域または角へ導かれるように偏向度を調節し得る。この偏向度は時間の経過と共に、反射されたビームがＬＩＤＡＲ装置の最大距離から戻って検出器に到達するのに必要な時間に達するまで連続的にさらに変化する。その後、偏向器は偏向度を改めて検出器面の縁へと位置合わせし得る。これに関し偏向器は、偏向度を任意に調節でき、これにより、到着するビームはその伝播時間に依存して、検出器の規定の位置または区域へ導かれる。この場合、検出器に到着するビームの偏向は、検出器の全面に沿って二次元で形成され得る。
【００１４】
検出器において検出されたビームの位置を基に、伝播時間を技術的に簡単に割り当てることができ、したがって検出器がもはやまったく評価ユニットによって読み出されなくてよくなる。むしろ、ビームを検知した検出器の区域を識別すすれば、対応するビームの伝播時間、したがって距離を十分に確定できる。
【００１５】
検出器へのビームの偏向は、偏向器の作用によって、または検出器の個々の領域の、相応の領域ごとのアクティブ化および非アクティブ化によって行われ得る。検出器の異なる区域のアクティブ化および非アクティブ化により、偏向器の偏向機能が、検出器の個々の画素または面区域の制御によって実現される。
【００１６】
１つの例示的実施形態によれば、少なくとも１つの検出器がＣＣＤセンサとしてまたは検出器アレイとして形成される。単一の検出器の代わりに検出器アレイを使用することにより、到達するビームの測定を高並列化でき、したがって効率を上げることができる。とりわけ、検出器が相応の深さ方向の分解能を生じさせるためにもはや高速にかつ頻繁に読み出し可能でなくてよくなる。深さ方向の分解能は、センサの表面に沿ったビーム移動だけに由来する。
【００１７】
１つのＣＣＤセンサまたはＣＣＤチップを用いることにより、検出器アレイに対するより低コストで高分解能の代替策が実現され得る。ＣＣＤセンサは、区域ごとまたは行列ごとにアクティブ化され得る。アクティブ化された区域は、到着する光または到着するビームを検出できる。規定の一定または可変の期間後に、アクティブ化される区域が移り変わることにより、到着するビームをどの区域が検出するかに依存して、伝播時間が、確定されたビームに割り当てられ得る。この場合、完全な信号または反射されたビームは、ＣＣＤセンサ全体に結像され得る。その際、検出器ピクセルは、例えば行列ごとに感受性に切り替えられ得る。この実施形態の利点は、偏向器をなくせることにある。
【００１８】
さらなる一形態によれば、検出器の個々の区域は点状に、面状に、または線状に成形される。したがって区域は、制御ユニットまたは評価ユニットによって柔軟にアクティブ化され得る。
【００１９】
例えば、完全なレーザ線、いわゆるバーティカルフラッシュを検出するための原理が有効であり得る。これに関しては、レーザ線全体が偏向され、したがって二次元センサ上で、一方の方向では伝播時間が、もう一方の方向では場所が検出される。これにより、この原理が高並列化され、かつ得られた信号は、好ましくは、並列プロセッサ、例えばＧＰＵまたはＦＰＧＡでのさらなる処理に適している。
【００２０】
さらなる１つの例示的実施形態によれば、偏向器は音響光学変調器である。形態に応じて、受信ユニットは検出器と共に偏向器を有し得る。その際、偏向器は様々な方式で実現され得る。例えば音響光学偏向器、マイクロミラー、またはその他の偏向器が用いられ得る。これらの偏向器は、制御ユニットとつなぐことができ、かつ制御ユニットによって制御できることが好ましい。偏向器により、入射する光が検出器の１つもしくは複数の選択されたピクセルまたは１つの選択された行へ導かれる。その際、偏向器は一定の速度で偏向度を変化させる。これにより、到着するビームの伝播時間が、ピクセルまたは行の場所にコード化され、続いて画像処理によって処理され得る。検出器面における検出されたビームの場所の分布を基に、検出されたビームに伝播時間が割り当てられ得る。
【００２１】
さらなる１つの形態によれば、ＬＩＤＡＲ装置は、検出器および／または偏向器と接続された制御ユニットを有する。これにより、制御ユニットによって偏向器および／または検出器の積極的な制御が行われ得る。とりわけ、検出器の照射されるまたはアクティブ化される領域の連続的な変化が、制御ユニットによって実行され得る。
【００２２】
さらなる一実施形態によれば、ＬＩＤＡＲ装置の到達距離範囲に対応する伝播時間の期間内に、検出器の各区域が少なくとも１回はアクティブ化または照射され得る。この検出器コンセプトの達成可能な深さ方向の分解能（または幾つの異なる伝播時間が検出され得るか）は、概して、検出器面に沿ったスキャン方向の検出器ピクセルの数およびスキャン周波数に依存する。例えば、約１０〜２００ｍの範囲内のＬＩＤＡＲ到達距離に対し、０．０７〜１．３μｓの光伝播時間が予想され得る。よってこの期間内に検出器全体がラスタ走査され得る。これは、偏向器周波数が、この例によれば約７７０ｋＨｚの範囲内にあることを意味する。これにより、ＬＩＤＡＲ適用の場合は、非機械的な偏向器を用い得ることが好ましい。このような偏向器は、例えば音響光学変調器であり得る。
【００２３】
さらなる一実施形態によれば、時間的にずれて反射された少なくとも２つのビームが、検出器の異なるアクティブ化された区域によって検出され得るか、または偏向器により、検出器の異なる区域へもしくは相前後して検出器へ導かれ得る。これにより、１つの検出器周期内で複数の信号が検出されることにより、分解能を犠牲にして繰り返し周波数を減少させ得る。この原理は、この際、自由にスケーリング可能であり、かつ技術仕様に適合され得る。この場合、複数のビームが、並列にまたはずれて検出器のそれぞれ異なる領域へ導かれ得る。
【００２４】
その代わりにまたはそれに加えて、生成されたビームは、走査領域内へ相前後してパルス状に放射され得る。これらのビームパルスは１つの測定サイクル内で測定でき、したがって時間的に相前後して、検出器上でスキャンしながら結像され得る。
【００２５】
相応の受信ユニットは、ＬＩＤＡＲ装置またはＬＩＤＡＲ適用だけに制限されているのではなく、全般的に、ビームの伝播時間測定を実施するすべての適用で用いられ得る。
【００２６】
以下に、非常に簡略化した概略図に基づいて本発明の好ましい例示的実施形態をより詳しく解説する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】１つの例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。
【図２】第１の例示的実施形態による受信ユニットの概略図である。
【図３】第２の例示的実施形態による受信ユニットの概略図である。
【図３】第３の例示的実施形態による受信ユニットの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、１つの例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１の概略図である。ＬＩＤＡＲ装置１は、送信ユニット２および受信ユニット４を有している。
【００２９】
送信ユニット２は、走査領域Ａに沿ってビーム６を生成および放出するために用いられる。生成されたビーム６は、例えばレーザビームとして形成され得る。このために送信ユニット２は、簡略化のため図示していないレーザを有している。送信ユニット２は、ビーム６を規定のパルス周波数で生成および放出できる。これは、制御ユニット８によって調整および開始され得る。
【００３０】
受信ユニット４は、検出器１０および偏向器１２を有している。受信ユニット４に到着するまたは走査領域Ａ内で反射されたビーム１４は、受信ユニット４により偏向器１２へ導かれる。
【００３１】
偏向器１２は、ここでは音響光学変調器として実施されており、かつ制御ユニット８によって制御される。偏向器１２により、到着するビーム１４が、検出器１０の連続的に移り変わる区域へ導かれ、それにより、検出器１０上でのビーム１４が検出される場所を基に、伝播時間分析が実施可能である。
【００３２】
図２では、第１の例示的実施形態による受信ユニット４の概略図を示している。到着するビーム１４の偏向器１２による偏向度は、一定の速度で変化する。
【００３３】
機能原理を明らかにするため、検出器１０は見やすいようにライン検出器として図示されている。しかしながら検出器１０はこの例示的実施形態には制限されない。
【００３４】
到着するビーム１４の偏向度が経時的に変化することにより、ビーム生成の時点ｔ０を出発点として、到着するビーム１４が必要とする時間を各検出器区域１６に割り当てることができる。この例によれば、検出器１０の区域１６は検出器ピクセルとして形成されている。したがって第１の検出器ピクセルは時点ｔ１に相応し、この時点ｔ１は、ビーム１４の最短の伝播時間、したがって最短の測定可能距離に相応する。これに対応してすべての検出器ピクセル１６が伝播時間ｔ１〜ｔＮによってコード化されており、したがって、到着するビーム１４をどの検出器ピクセル１６が検出するかに依存して、伝播時間が確定され得る。
【００３５】
この例示的実施形態によれば、入射する光またはビーム１４は、偏向器１２により、光１４の伝播時間に依存して偏向され得る。これにより光は伝播時間に応じて検出器１０の別のピクセル１６に当たる。続いて強度分布から伝播時間が導き出され得る。
【００３６】
図３は、第２の例示的実施形態による受信ユニット４の概略図を示している。第１の例示的実施形態とは異なり、受信ユニット４は、垂直なレーザ線として形成された到着するビーム１４を有しており、この到着するビーム１４は、偏向器１２により検出器１０へ導かれる。
【００３７】
検出器１０は、ここではＣＣＤセンサとして実施され得る。ビーム１４は垂直な線として、検出器１０の区域１８へ導かれる。区域１８は、ここでは検出器１０の行として形成されおり、したがって１つの行１８に１つの時間情報またはそれぞれ１つの伝播時間ｔ１〜ｔＮが割り当てられている。それぞれの列ｘ１〜ｘＮは、追加的な機能のために用いられ得る。これにより、例えば伝播時間および様々な場所が並列に検出され得る。
【００３８】
図４は、第３の例示的実施形態による受信ユニット４の概略図を示している。既に述べた例示的実施形態とは異なり、検出器１０の異なる区域１７、１８、１９が制御ユニット８により、順次または互いに並列にアクティブ化または改めて非アクティブ化される。
【００３９】
これは、第２の例示的実施形態の拡張形態として実行され得る。違いは、偏向器１２が、期間ｔ１〜ｔ３内は第１のパルスを検出器１０上へ結像し、その後、検出器１０の最初に戻るのではなくスキャンを続けることにある。これにより、それに続く領域内で、第２のおよび相応に第３のパルスが検出器１０上へ結像され得る。
【００４０】
この例示的実施形態によれば、複数のビーム１４、２０、２２を検出するために、センサアレイまたは検出器１０の区分が行われる。この場合、各々の単一パルス１４、２０、２２に対する時間分解能は３分の１に減少するが、必要な偏向周波数も例えば７７０ｋＨｚから２５６ｋＨｚに下がる。これにより１つの検出器画像内で３つの信号１４、２０、２２が同時に検出され得る。各信号１４、２０、２２のために、相応の伝播時間ｔ１〜ｔ３でコード化された複数の区域１７、１８、１９が提供されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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