(57)【要約】本発明は、光用送光装置と、第１光子検出器および第２光子検出器を有する光用受光装置と、および送光装置による光の放出と、物体において反射された光の、受光装置における到達の間の期間を決定するように設計された評価装置とを含むＬＩＤＡＲシステムに関する。この場合、送光装置は、水平および垂直偏光の重なりを放出するように設計され、第１光子検出器は水平偏光のみを検出するように、および第２光子検出器は垂直偏光のみを検出するように設計され、さらに、評価装置は、所定の時間間隔内に両方の光子検出器に到達した光に基づいて、前記期間を決定するように設計されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光用送光装置（１１０）と、
第１光子検出器（１２０）および第２光子検出器（１２５）を有する光用受光装置（１１５）と、
送光装置（１１０）による光の放出と、物体において反射された光の、受光装置（１１５）における到達の間の期間を決定するように設計された評価装置（１４５）とを含むＬＩＤＡＲシステム（１００）において、
送光装置（１１０）は、水平および垂直偏光の重なりを放出するように設計され、
第１光子検出器（１２０）は水平偏光のみを検出するように、および第２光子検出器（１２５）は垂直偏光のみを検出するように設計され、
評価装置（１４５）は、所定の時間間隔（３２０）内に両方の光子検出器（１２０、１２５）に到達した光に基づいて、前記期間を決定するように設計されていること、
を特徴とするＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項２】
送光装置（１１０）は、できるだけ同一の部分に水平および垂直偏光を放出するように設計されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項３】
送光装置（１１０）は、コヒーレント光を放出するように設計されている、請求項１または２に記載のＬＩＤＡＲシステム（１１０）。
【請求項４】
送光装置（１１０）は、その水平偏光部分が垂直偏光部分と共に量子力学的交差状態を形成する光を放出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ＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項５】
光子検出器（１２０、１２５）はそれぞれ１つのＳＰＡＤ検出器を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項６】
受光装置（１１５）に到達した光を水平偏光部分および垂直偏光部分に分割するために、偏光光線分割器（１３０）をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項７】
送光装置（１１０）は所定の帯域の光を放出し、および受光装置（１１５）は帯域外に位置する光を分離するための光フィルタ（１３０）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＬＩＤＡＲシステム（１００）。
【請求項８】
光の放出と、物体において反射された光の到達の間の期間の決定方法（２００）において、
水平および垂直偏光の重なりを放出するステップ（２０５）と、
所定の時間間隔（３２０）内に反射された光の水平偏光部分を受け取るステップ（２１５、２２０）および反射された光の垂直偏光部分を受け取るステップ（２１５、２２５）と、
所定の時間間隔（３２０）内に到達した光の部分に基づいて前記期間を決定するステップ（２３０）と、
を含む、期間の決定方法（２００）。
【請求項９】
コンピュータプログラム製品が処理装置（１４５）上で実行するかまたはコンピュータが読取り可能なデータキャリヤ上に記憶されているとき、請求項８に記載の方法を実行するためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＩＤＡＲシステム（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ：光走査による距離決定）に関する。特に、本発明は、ＳＰＡＤ検出器（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：単光子なだれ効果検出器）を有するＬＩＤＡＲシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
実際のＬＩＤＡＲシステムは、レーザ光の送光装置および受光装置から構成される。送光装置は、送出方向に、連続波ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：変調連続波）またはパルス化されたほとんどは赤外レーザ光を送出する。この光が可動物体または定置物体、例えば走行自動車または停止自動車あるいは歩行者に衝当した場合、光は反射されかつ受光装置の方向に跳ね返される。送光時点と受光時点の時間差を検出器内において評価した場合（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ、走行時間法による）、レーザ光の光子によって通過された進路、したがって、物体の距離を推測可能である。このような検出器は、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ：なだれ効果ホトダイオード）検出器、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補性金属酸化物半導体）検出器、またはＳＰＡＤ検出器であってもよい。
【０００３】
特に、ＳＰＡＤ検出器は、走査される物体の領域内の背景光が妨害可能なほどに敏感なことがある。背景光を許容レベルまで低減させるために、帯域がきわめて狭い光フィルタが必要である。これにより、ＬＩＤＡＲシステムは、高価でかつ費用がかかることがある。
【０００４】
独国特許出願公開第１０２０１１００５７４６号明細書は、受光装置が複数の画素を有し、画素はそれぞれＳＰＡＤ検出器を含みかつその信号は評価のために動的にグループ化可能なＬＩＤＡＲシステムを示す。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１５０１９２６７６号明細書は、所定の幾何学的測定領域から発生する光子のみが検出されるＳＰＡＤ検出器を有するＬＩＤＡＲシステムを提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１００５７４６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５０１９２６７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の基礎となる課題は、背景光に対して低減された感度を有する、ＳＰＡＤに基づくＬＩＤＡＲシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、この課題を、独立請求項の項目により解決する。従属請求項は好ましい実施形態を提供する。
ＬＩＤＡＲシステムは、光用送光装置と、第１光子検出器および第２光子検出器を有する光用受光装置と、送光装置による光の放出と、物体において反射された光の、受光装置における到達の間の期間を決定するように設計された評価装置とを含む。この場合、送光装置は、水平および垂直偏光の重なりを放出するように設計され、第１光子検出器は水平偏光のみを検出するように、および第２光子検出器は垂直偏光のみを検出するように設計され、さらに、評価装置は、所定の時間間隔内に両方の光子検出器に到達した光に基づいて、前記期間を決定するように設計されている。
【０００９】
本発明は、送光装置からではなく、太陽のような他の光源から発生する背景光が、はるかに高い確率で、垂直方向（Ｖ）よりも水平方向（Ｈ）に偏光されているという知見に基づいている。さらに、背景光のＨおよびＶ偏光部分は、通常、同時には発生しない。この特徴により、背景光と反射光の間の改善された区別が実現可能である。背景光の影響を低減させるために、標準フィルタが使用されてもよい。費用のかかる、きわめて狭い帯域の光フィルタは必要ではない。センサの光学的信号対雑音比（ＮＮＲ，Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）は改善され、これにより、ＬＩＤＡＲシステムは上昇された到達距離を有することが可能である。これにより、物体の位置測定が改善され、すなわち、その方向および距離が改善された精度で決定可能である。ＬＩＤＡＲシステムの光学的口径は点まで低減可能であり、この場合、実際に、放出された光の個々の光子のみが光子検出器に衝当可能である。これにより、ＬＩＤＡＲシステムの寸法は低減可能である。
【００１０】
相互に隣接配置された複数の光子検出器の集束（「マクロ画素」）は必ずしも必要ではない。半導体材料のミクロ構造が改善されていてもよい。物体を走査するために、より少ない数の測定過程が必要とされていてもよい。対応して低減された数の測定値の決定費用は同様に低減可能である。さらに、決定結果はより迅速に存在可能である。上記ＬＩＤＡＲシステムの技術的費用は把握可能である。少ない光が放出可能であるので、特に眼の安全性は容易に保証可能である。
【００１１】
送光装置は、特に、できるだけ同一の部分に水平および垂直偏光を放出するように設計されている。両方の部分は線形に偏光されているので、送光装置は、特に４５°の角度で線形に偏光された光を放出可能である。一実施形態において、例えば半波長板により所定の偏光角に回転された線形偏光が提供される。
【００１２】
さらに、送光装置は、コヒーレント光を放出するように設計されていることが好ましい。このために、送光装置は、特にレーザ光源を含んでもよい。異なる実施形態において、例えばコスト的に有利な半導体、固体レーザ、ファイバレーザまたは高性能の管状レーザが使用されてもよい。
【００１３】
特に、送光装置は、その水平偏光部分が垂直偏光部分と共に量子力学的交差状態を形成するように設計されていることが好ましい。これは、特に、約４５°の角度で線形偏光された光が、共通のコヒーレントのレーザ光源から導かれることにより実現可能である。
【００１４】
他の好ましい実施形態において、光子検出器はそれぞれ１つのＳＰＡＤ検出器を含む。原理は、ＳＰＡＤ検出器が、検出信号を提供するために入射光子をなだれ状に増幅することを可能にする。常に新たに自己励起させないために、ＳＰＡＤ検出器は、それに続いて減衰され、ないしは絞られなければならない（能動的または受動的消滅）。この過程により、通常、新たな測定が可能になるまで、数１０ナノ秒の範囲内の不感時間が発生する。時間内の測定ウィンドウの位置は、通常、制御結線（ゲート）により制御可能である。このようにして、両方の光子検出器において所定の時間間隔が同期化可能である。同一時間間隔内に両方の光子検出器に到達した、時間的に相関のない光の光部分の間の区別は、このように簡単に実行可能である。
【００１５】
さらに、ＬＩＤＡＲシステムは、受光装置に到達した光を水平偏光部分および垂直偏光部分に分割するために、偏光光線分割器を含むことが好ましい。このような光線分割器は、１つの立方体に組み立てられた類似の２つのプリズムから形成可能である。これは偏光立方体とも呼ばれる。偏光光線分割器の他の名称はＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ）である。
【００１６】
さらに、送光装置は所定の帯域の光を放出し、および受光装置は帯域外に位置する光を分離するための光フィルタを含むことが好ましい。これは、偏光光線分割器と一体に形成されていてもよい。
【００１７】
光の放出と、物体において反射された光の到達の間の期間の決定方法は、水平および垂直偏光の重なりを放出するステップと、所定の時間間隔内に反射された光の水平偏光部分を受け取るステップおよび反射された光の垂直偏光部分を受け取るステップと、および所定の時間間隔内に到達した光の部分に基づいて前記期間を決定するステップとを含む。
【００１８】
到達した異なる光の部分の相対同時性は、時間間隔の長さにより制御可能である。背景光に対する方法の感度の低減の程度はこれによって調節可能である。
コンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラムが処理装置で実行するかまたはコンピュータが読取り可能なデータキャリヤ上に記憶されているとき、上記の方法を実行するためのプログラムコード手段を含む。
【００１９】
方法は、特に全てまたは部分的に、上記ＬＩＤＡＲシステムの評価装置上で実行可能である。このために、評価装置は、プログラミング可能なマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラを含んでもよい。
【００２０】
ＬＩＤＡＲシステムと上記方法の間の緊密な関係により、方法の特徴および利点は、通常、システムにも関係し、その逆にも関係する。
ここで本発明が添付図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、ＬＩＤＡＲシステムの概略図を示す。
【図２】図２は、方法の流れ図を示す。
【図３】図３は、図１のＬＩＤＡＲシステムによる測定の一実例を示す。
【図４】図４は、複数の光子検出器を有するＬＩＤＡＲシステムの測定の一実例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、ＬＩＤＡＲシステム１００の概略図を示す。ＬＩＤＡＲシステム１００は、物体１０５の方向または距離を光学的に決定するように設計されている。ＬＩＤＡＲシステム１００は、特に、自動車の周辺を走査するために使用可能である。物体１０５は、例えば、他の道路使用者または他の車両を含んでもよい。
【００２３】
通常、ＬＩＤＡＲシステムの走査は、時間の関数として揺動されおよび／または回転された光線により行われる。代替態様として、いわゆるソリッドステートシステムまたはフラッシュＬＩＤＡＲシステムが使用されてもよい。両方のシステムにおいて、可動部分は使用されずかつ視界（ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ，ＦＯＶ）は全体として照明される。図１の概略図においては、簡単にするために、固定測定領域から出発される。
【００２４】
ＬＩＤＡＲシステム１００は、光を放出するための送光装置１１０と、および特に予め送光装置１１０から放出されかつ物体１０５において反射された光を受け取るための受光装置１１５とを含む。このために、受光装置１１５は、第１光子検出器１２０および第２光子検出器１２５を含むことが好ましい。第１光子検出器１２０は水平偏光のみを検出するように設計され、一方、第２光子検出器１２５は垂直偏光のみを検出するように設計されている。特に、受光装置１１５に到達した光は偏光光線分割器１３０によりその水平および垂直成分に分割されかつそれぞれの光子検出器１２０、１２５に導かれることが好ましい。光線分割器１３０は、特にいわゆる偏光立方体を含んでもよい。
【００２５】
送光装置１１０は、特に、所定の波長帯域のコヒーレント光を放出するように設計されたレーザ光源１３５を含んでもよい。送光装置１１０から提供された光は線形に偏光されていることが好ましく、この場合、水平に偏光された光の部分および垂直に偏光された光の部分は同じ大きさであることが好ましい。これにより、送光装置１１０から物体１０５の方向に放出された光の、約４５°の偏光角が得られる。図示の実施形態において、光源１３５から提供されたコヒーレント光が偏光子１４０により希望の偏光面内に回転されることにより、このような線形コヒーレント光が提供される。
【００２６】
評価装置１４５は、光走査過程を制御するために、送光装置１１０および受光装置１１５を操作するように設計されている。この場合、光の提供の操作は、送光装置１１０により、例えばスイッチのオンおよびオフまたは変調によることは任意である。評価装置１４５は、特に、入射光子（受光装置１１５内に入射する光の成分）を両方の光子検出器１２０、１２５に対して同時の時間ウィンドウ内に検出するように光子検出器１２０、１２５を操作する設計が特になされている。この時間ウィンドウは、通常、数ナノ秒から数１０ナノ秒の大きさであるが、例えば１００ナノ秒以上の範囲内の大きさであってもよい。
【００２７】
図２は、物体１０５の光走査のための方法２００の流れ図を示す。方法２００は、特に、図１のＬＩＤＡＲシステム１００の意味で実行されてもよい。このために、方法２００は、全てまたは一部において、特に評価装置１４５の処理装置上で実行可能なコンピュータプログラム製品の形で存在してもよい。
【００２８】
ステップ２０５において、上記のように、例えば送光装置１１０により、水平および垂直偏光が放出される。放出された光は線形偏光されていることが好ましく、相互に交差されかつ好ましくは所定の波長帯域内に位置する水平および垂直偏光部分を含む。ステップ２１０において、予め放出された光は任意に物体１０５上において散乱され、これにより、受光装置１１５の方向に入射する。
【００２９】
ステップ２１５において、受光装置１１５に入射した光が水平偏光部分および垂直偏光部分に分割されることが好ましい。それに続いて、ステップ２２０において、共通の時間ウィンドウまたは時間間隔内に受光装置１１５内に入射した光の水平偏光部分の検出が、およびステップ２２５において垂直偏光部分の検出が行われる。同一時間間隔内に垂直偏光のみならず垂直偏光もまた検出されたときにのみ、このことから、入射光はステップ２０５において放出されたものでありかつ背景光ではないことが推測可能である。
【００３０】
ステップ２３０において、到達した光に基づき、物体１０５の特性の決定が実行可能である。特に、送光装置１１０による放出と受光装置１１５による受取りの間の光の飛行時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）が決定されかつこれから物体１０５のＬＩＤＡＲシステム１００からの距離が導出可能である。
【００３１】
その走査領域が機械的にないしは光学的に（通常周期的に）変化される通常のＬＩＤＡＲシステム１００においては、それに追加してまたはその代わりに、物体１０５の方向が決定可能である。
【００３２】
図３は、図１のＬＩＤＡＲシステム１００の測定の一実例を示す。第１線図３０５、第２線図３１０、および第３線図３１５はそれぞれ、同じ時間範囲の水平時間軸および垂直信号軸を有する。第１線図３０５は第１光子検出器１２０の入射光の信号を、第２線図３１０は第２光子検出器１２５の入射光の信号を示す。時間軸は相互に同じ大きさの時間間隔３２０に分割され、この場合、各時間間隔３２０は両方の光子検出器１２０、１２５の固有の時間測定ウィンドウに対応する。識別しやすくするために、両方の光子検出器１２０、１２５の、同一時間間隔３２０内に入射した信号は、時間的に相関のない光の信号より太い線で示されている。
【００３３】
図示の好ましい実施形態において、光子検出器１２０、１２５の信号は、各時間間隔３２０内に論理ＡＮＤ条件により結合される。第３線図３１５において、これにより、このような時間間隔３２０内に、その中に第１光子検出器１２０の信号Ｓ１のみならず第２光子検出器１２５の信号もまた存在する信号Ｓのみが得られる。送光装置１１０から放出されたのではなく、したがってコヒーレントではなく、上記のように偏光されないか、または重ね合わされていない背景光は、これにより、理想的に完全に区別可能である。物体１０５の光走査は、これにより、改善された精度で実行可能である。
【００３４】
図１に示された受光装置１１５は、ただ１つの（固定された、所定の）走査領域に限定可能である。この場合、これはゼロ次元測定とも呼ばれる。しかしながら、上記の技術は、光子検出器１２０、１２５の一次元または二次元配置に対しても使用可能である。
【００３５】
図４は、複数の光子検出器１２０、１２５の幾何学的配置を有するＬＩＤＡＲシステム１００の一実例を示す。この場合、通常、第１光子検出器１２０および第２光子検出器１２５は相互に対をなして割り当てられ、および光子検出器１２０、１２５の対は直列（線形）に互い違いに配置されていることが好ましい。図１の図において、光子検出器１２０、１２５は、例えば図の平面に関して垂直方向に積み重ねられていてもよい。
【００３６】
図４の図は、原理的に図３の図に続く。信号Ｓ１１、Ｓ１２およびＳ１３は、（垂直方向に）互い違いの第１光子検出器１２０に関し、および信号Ｓ２１、２２および２３は、対応して（垂直方向に）互い違いの第２光子検出器１２５に関する。個々の信号は、相互に対をなして組み合わされてもよく、この場合、ｍ×ｎ個の異なる組合せが形成可能である。図４の図において、信号Ｓ１１は、信号Ｓ２１、２２およびＳ２３と、論理ＡＮＤ操作により相互に結合される。結合の結果は図４の右側領域に示されている。このようにして、上記の原理は、これに対して、光子検出器１２０、１２５の一次元配置により使用可能であり、および対応変更態様において、光子検出器１２０、１２５の多次元配置にもまた使用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  ＬＩＤＡＲシステム
１０５  物体
１１０  送光装置
１１５  受光装置
１２０  第１光子検出器
１２５  第２光子検出器
１３０  偏光光線分割器、光フィルタ、光線分割器
１３５  光源
１４０  偏光子
１４５  評価装置、処理装置
２００  方法
２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０  ステップ
３０５  第１線図
３１０  第２線図
３１５  第３線図
３２０  時間間隔
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３  信号
ｔ  時間
【図１】
2020511658.tif 000003
【図２】
2020511658.tif 000004
【図３】
2020511658.tif 000005
【図４】
2020511658.tif 000006
【国際調査報告】
2020511658.tif 000007
2020511658.tif 000008
2020511658.tif 000009
2020511658.tif 000010
2020511658.tif 000011
2020511658.tif 000012