JP7015327B2 - 立体角を走査するための方法および装置 - Google Patents

Description

少なくとも１つの電磁ビームを用いて立体角を走査するための方法、およびＬＩＤＡＲ装置。

ＬＩＤＡＲ（光検知および測距）の原理に従って動作される回転式３Ｄスキャナは既に知られている。ここで、通常、レーザビームは、立体角を走査することができるように蛇行状に偏向される。鉛直に延びる回転軸に沿って偏向するために、さらに、水平回転軸または旋回軸に沿ったレーザビームのさらなる偏向が加わる。レーザビームは通常、規定の解像度で立体角全体が走査されるように直線状に偏向される。特に、レーザビームの走査経路間の距離が重要である。したがって、そのような装置の解像度と走査周波数との間での折り合いが図られなければならない。レーザビームの走査経路間の隙間を埋め、３Ｄスキャナの解像力を高めるために、例えば、インターレース法（Ｉｎｔｅｒｌａｃｅｄ－Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）が知られており、これは、飛び越し法（Ｚｅｉｌｅｎｓｐｒｕｎｇｖｅｒｆａｈｒｅｎ）と同様に、複数の走査プロセスまたは追加の走査によって、各場合に、立体角全体にわたって、生じ得る走査経路間の距離を減少させることができる。しかし、このとき、追加の走査の数だけ走査周波数が減少される。

本発明の根底にある課題は、少なくとも一定の走査周波数でより高い解像度で領域または立体角を走査するためのＬＩＤＡＲ装置および方法を提供することに見ることができる。

この課題は、独立クレーム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、それぞれ従属クレームの主題である。
本発明の一態様によれば、少なくとも１つの電磁ビームを用いて立体角を走査するための方法が提供される。第１のステップで、少なくとも１つの電磁ビームが生成され、その後、回転可能または旋回可能なミラーによって水平角および／または鉛直角にわたって偏向される。少なくとも１つの電磁ビームは、例えばビームスプリッタなどの増倍ユニットによって、異なる立体角を有する少なくとも２つの部分ビームに分解され、少なくとも２つの電磁ビームによって立体角の走査が行われる。これら少なくとも２つの電磁ビームは、空間内の物体によって反射または散乱することができる。水平角に沿ってミラーと同期して回転可能な受光光学系によって、少なくとも１つの反射された電磁ビームが受け取られる。ミラーの旋回範囲全体、したがって空間内で電磁ビームがカバーする角度範囲全体を、対応する検出器要素に投影することができる。

これにより、１回転または角度範囲あたりの測定ポイントの数を表すスキャナまたはＬＩＤＡＲ装置の測定レートを、少なくとも２倍にすることができる。ここで、フレームレートまたは走査周波数は変えなくても、増加してもよい。少なくとも１つの電磁ビームは、好ましくは、レーザまたは別の光源、例えば高度に集束されたＬＥＤによって生成される。レーザは、静止型で、または回転不能に位置決めすることができ、鉛直に延びる回転軸の方向でミラーまたはマイクロミラーに照射することができる。これにより、レーザの熱的接続を簡素化することができる。鉛直角と水平角とは立体角にわたり、立体角は円錐状または角錐状でよい。ここで、少なくとも２つのビームを水平方向に並べて配置することができ、それにより、各走査経路から少なくとも２つの走査経路が生じ、これらの走査経路を並べて配置することができる。これにより、一定の走査周波数でより大きな水平角を走査またはスキャンすることができるか、または一定の水平角で走査周波数の増加を可能にすることができる。一定の水平角と一定の走査周波数で、水平解像度の向上を達成することができる。各走査経路は、互いに時間的な間隔を有する多数の測定ポイントまたはビームパルスからなる。時間的な間隔によって、生成された各測定ポイントを、受け取られた反射測定ポイントを評価するときに、生成された測定ポイントに一意に割り当てることができる。代替として、少なくとも２つのビームを鉛直に並べて配置することができ、それにより、水平配置と同様に、鉛直角、走査周波数、または鉛直解像度を増加させることができる。特性の組合せが可能である。代替または追加として、可能な最大旋回範囲に対する要件がより小さい、対応する偏向ミラーを使用することができる。これにより、ミラーまたはマイクロミラーを設計する際に、より大きな設計自由度が生じる。さらに、受光光学系により、それぞれのビームが別々の検出器要素に投影されるので、ブルーミングを防止または少なくとも減少させることができる。少なくとも１つの生成された電磁ビームは、異なる立体角を有する少なくとも２つの部分ビームに分割されるので、検出器要素への少なくとも２つの受け取られたビームの当射点もさらに空間的に互いに離れている。したがって、検出器要素の過剰照射により、隣接する検出器要素の過剰照射は全く生じ得ないか、または限られた程度でしか生じ得ない。

本方法の例示的実施形態によれば、少なくとも２つの電磁ビームは、少なくとも２つの角度オフセットされたビーム源によって生成される。ここで、例えばレーザなどの２つ以上の隣接するビーム源を並べて配置し、１つのミラーにそれぞれ１つのビームを放出することができる。ここで、少なくとも２つのビーム源は角度オフセットしていてよく、したがって、ミラーによる偏向プロセスの後、レーザも同様に互いに角度オフセットを有する。代替として、少なくとも２つのビーム源は、互いに平行に向き調整することもでき、したがって平行なビームを生成することができる。ここで、角度オフセットは、ミラー曲率によって実現することができる。さらに、ミラー曲率によって、少なくとも２つのビームの角度オフセットを増加または減少させることができる。

本方法のさらなる例示的実施形態によれば、少なくとも１つの電磁ビームが、少なくとも１つのビーム源によって生成され、少なくとも１つの電磁ビームは、回転可能なミラーの下流に接続されたビームスプリッタによって、少なくとも２つの電磁ビームに分割される。ビームスプリッタは、例えば、電磁ビームを一部透過する複数のミラーによって実現することができる。ミラーの向き調整または角度位置に基づいて、それぞれの分岐されたビームは、互いに対して個別の角度を有することができる。ビームは、例えば、互いに平行に向き調整することができるか、または互いに可変の角度オフセットを有することができる。代替として、生成されたビームを、プリズム、ビームスプリッタキューブ、または回折光学要素によって、一様にまたは非一様に少なくとも２つのビームに分離または分割することもできる。ビームスプリッタは、好ましくは、少なくとも１つの電磁ビームの光路に配置されている。

本方法のさらなる例示的実施形態では、少なくとも２つの生成された電磁ビームは、互いに離間されて生成される。これにより、生成された電磁ビームは、互いに規定の間隔を有し、この間隔は、走査される物体またはターゲットに依存しない。これにより、走査された領域の評価を簡素化することができる。

本方法のさらなる例示的実施形態によれば、少なくとも２つの生成された電磁ビームは、互いに角度オフセットされて生成される。これにより、生成されたビームは、互いに角度オフセットを有し、それにより、ビームは、少なくとも１つのビーム発生器からの距離が増加すると共に互いに離れる。これにより、より大きい角度範囲を走査することができる。

本方法の好ましい例示的実施形態では、各場合に、少なくとも２つの平行な電磁ビームが、それぞれ１つのビーム群に組み合わされる。これにより、ビーム群のすべてのビームが、共通の光軸に対して同じ角度を有する。他の、またはさらなるビーム群は、異なる角度を有する。これにより、生成され、その後、走査された物点で反射された少なくとも２つのビームは、受光光学系によって偏向することができ、それぞれ１つのビーム群のビームが検出要素に当たるようになる。これは、近領域での目の安全性に有利に働く。近領域で、所要の光エネルギーは、ビーム群に含まれるビームの数に分けられる。立体角を走査するために使用されるのは単一のビームではなく、少なくとも２つのビームであるため、各ビームをより弱く設計することができ、したがって目に当たる可能性のあるビームがそれほど強く集中しない、またはそれほど強力ではないので、目の安全性を向上させることができる。遠視野では、ビーム群の個々のビームが重なり合い、したがって、光エネルギーは、１つのビームに束ねられて物点に当たる。個々の電磁送出ビームに基づくシステムと比較して、ここでは、目の安全性に関してより高い測定範囲を達成することができる。

本方法のさらなる例示的実施形態によれば、少なくとも１つのビーム群の少なくとも２つの電磁ビームは、互いに平行に向き調整されて生成される。これにより、ビーム群の複数のビームは、共通の光軸に対して同じ角度を有することができる。他の、またはさらなるビーム群は、異なる角度を有することができる。ビーム群のすべてのビームが同じ角度であることにより、ビーム群を技術的に簡単に実現することができる。

本方法のさらなる例示的実施形態によれば、受光光学系によって受け取られた少なくとも１つの反射された電磁ビームは、少なくとも１つの検出器群に向けられる。ここで、生成された各ビーム群に検出器群を割り当てることができる。ここで、受光光学系は、反射されたビームを、受光光学系の光軸からの角度または偏向に応じて、特定の検出器群に偏向する、または導くことができる。

本方法のさらなる例示的実施形態では、少なくとも１つの検出器要素は、間隔または角度オフセットに基づいて、少なくとも１つの生成された電磁ビームまたはビーム群に割り当てられる。検出器要素は、生成されたビーム群の放射角または向き調整に対して配置することができ、それにより、規定のビーム群の反射ビームは、できる限り、その反射ビームのために提供された検出器要素に当たることができる。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの電磁ビームを用いて空間角を走査するためのＬＩＤＡＲ装置が、本発明の一態様による方法に従って提供される。ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも１つの電磁ビームを生成するための少なくとも１つのビーム源を備える。少なくとも１つの生成された電磁ビームは、ミラーによって、水平角および／または鉛直角に沿って偏向することができる。この装置は、物体で反射された少なくとも１つの電磁ビームを受け取るための、ミラーと同期して回転可能な受光光学系を備え、ここで、少なくとも２つの電磁ビームが生成される。

これにより、１つの走査経路の代わりに、並べて配置された少なくとも２つの走査経路を生成することができる。したがって、ミラーの旋回運動の際に少なくとも２つの走査経路が既に生成されるので、ＬＩＤＡＲ装置の解像度を高めるために走査経路間の可能な隙間を小さくすることができる。代替として、走査経路間の距離を一定として、生成されるビームの数に応じて、規定の立体角または角度を走査する時間を短縮することができ、したがって走査周波数を高めることができる。走査経路は、鉛直方向または水平方向に直線状に延在することも、蛇行状に延在することもできる。

ＬＩＤＡＲ装置の例示的実施形態によれば、ミラー、受光光学系、および少なくとも１つの検出器要素は、互いに依存または独立して、鉛直に延びる回転軸に沿って回転可能である。ここで、受光光学系はミラーと同時に回転または旋回することができ、または時間遅延を有することができる。ここで、少なくとも１つの検出器要素または検出器アレイは、受光光学系に結合することができるか、または静止型で、もしくは装置の他の回転可能な構成要素から独立して配置することができる。好ましくは、ミラーまたはマイクロミラー、受光光学系、および少なくとも１つの検出器要素は、一致した動きを行う。

ＬＩＤＡＲ装置の好ましい例示的実施形態では、ミラーは、回転軸に対して直交して旋回可能である。そのようなミラーは、技術的に特に簡単に設計することができる。ここで、有利には、ビームをミラーによって偏向することができるようになる前に、回転軸が、ビーム源によって生成された少なくとも１つの電磁ビームと揃う。したがって、ビーム源は静止型で設計でき、それにより、ＬＩＤＡＲ装置の動作中にビーム源が受ける機械的負荷はより小さくなる。さらに、静止型ビーム源を最適に熱的に調整することができ、下流に接続された評価ユニットに技術的に簡単に接続することができる。

以下、非常に簡略化され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細に説明する。

第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 ミラーの偏向が異なる、第１の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第２の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第３の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。 第４の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置の概略図である。

図中、同じ構造要素は、それぞれ同じ参照符号を付されている。
図１ａおよび図１ｂは、ＬＩＤＡＲ装置１の第１の実施形態を示す。ＬＩＤＡＲ装置１は、例示的実施形態によるレーザ２であるビーム源２を備える。レーザ２は、装置１内に静止型で配置され、電磁ビーム４を生成する。生成されたビーム４は、レーザ２から鉛直にミラー６まで進み、装置１の鉛直回転軸Ｖを定義する。ミラー６は、鉛直回転軸Ｖがミラー６の中心を通って延びるように装置１内に配置されている。ミラー６は、生成されたビーム４を反射し、規定の方向にビーム４を偏向させる。ミラー６は、回転軸Ｖに沿って回転可能に支持されており、例えば、任意に規定された領域内で自由に回転または旋回することができる。回転中、ミラー６は、回転方向での途切れない動きを行う。旋回プロセス中、ミラーは、特定の角度または水平角もしくは鉛直角に達すると、旋回または回転方向を変える。回転または旋回中、ミラー６は、生成されたビーム４を、ミラー６の向き調整に対応して連続的に偏向させる。ミラー６は、さらなる水平回転軸Ｈを有する。水平回転軸Ｈに沿って、ミラー６は、規定の鉛直角で旋回運動を行う。例示的実施形態によれば、電磁ビーム４のビーム経路においてミラー６の下流にビームスプリッタ８が接続される。ビームスプリッタ８は、複数の一部透過型ミラー１０からなっていてよく、ミラー１０は、好ましくは、生成されたビーム４を一部透過し、一部反射する。代替として、ビームスプリッタ８は、ビームスプリッタプリズムでもよい。ビームスプリッタ８は、鉛直回転軸の周りで回転可能であり、ミラー６に接続されており、したがって、生成されたビーム４は、ビームスプリッタ８に最適に向けられる。一部反射されたビーム１２は、さらなる一部透明性ミラー１０に向けられ、そこで再び一部透過され、一部反射される。したがって、いくつかのビーム４、１２を生成することができる。ここで、ビーム４、１２は、装置１の鉛直向き調整に沿って互いに離間されている。分割されたビーム１２は、より大きな鉛直角を走査することができるように、元のビーム４とは異なる放射角を有する。鉛直角と水平角とは立体角にわたり、立体角は円錐状または角錐状でよい。生成されたビーム４、１２は、パルス式に操作され、ミラー６の動きに対応して、立体角全体に沿って蛇行状に偏向される。したがって、ＬＩＤＡＲ装置１は、ビーム４を用いて立体角を走査することができる。生成されるビーム４、１２の数の増加により、装置１は、ビーム４、１２の数および向き調整に適合された複数の検出器要素１４を有する。ミラー６を機械的により単純に設計することができるように、ミラー６はまた、鉛直回転軸Ｖに沿って回転方向に回転し、特定の角度範囲で遮蔽することができ、それにより、ビーム４、１２は、規定の水平角でのみ装置１から出ることができる。物体１７で反射されたビーム１６を受け取るために、装置１は、同様にミラー６と同期して回転可能または旋回可能な受光デバイス１８または受光光学系１８を有し、受光デバイス１８または受光光学系１８は、反射ビーム１６を集束させ、規定の検出器要素１４に偏向させる。したがって、規定の検出器要素１４に特定のビーム４、１２、１６を割り当てることができ、したがって、完全なまたは少なくとも部分的な旋回角を検出器に投影することができる。図１ｂでは、ミラー６は、水平回転軸Ｈに沿った、図１ａとは異なる旋回角を有する。例示的実施形態によれば、ビームスプリッタ８は、鉛直向き調整に関して静止型で設計される。ビームスプリッタ８は、ミラー６と同期して回転可能であるが、例示的実施形態によれば、一部透明性ミラー１０は再調整されない。しかし、これは、技術的には実現することもできる。

図２は、第２の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１を示す。第１の例示的実施形態とは対照的に、ＬＩＤＡＲ装置１は、生成されたビーム４、１２を分岐または偏向するビームスプリッタ８を有し、ビーム４、１２を組み合わせて３つのビーム群２０、２２、２４にすることができ、ビーム４、１２は１つのビーム群２０、２２、２４内で互いに平行に延びる。ここで、異なるビーム群２０、２２、２４のビーム４、１２は、互いに角度オフセットを有する。例示的実施形態によれば、それぞれ２つの隣接するビーム４、１２が、ビーム群２０、２２、２４に組み合わされる。

図３は、第３の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１を示す。第２の例示的実施形態とは対照的に、第３の例示的実施形態では、隣接する生成されたビーム４、１２がそれぞれ１つのビーム群２０、２２、２４に組み合わされるのではなく、１つまたは複数の別のビーム１２によって互いに離されている複数のビーム４、１２がそれぞれ組み合わされる。

図４に、第４の例示的実施形態によるＬＩＤＡＲ装置１を示す。これまでに示した例示的実施形態とは異なり、ＬＩＤＡＲ装置１は、ビームスプリッタ８を備えていない。ここでは、複数のビーム４が、複数のビーム源２または個別のレーザ２によって生成される。レーザ２は、互いに角度オフセットを有する。レーザ２は、生成されたビーム４がすべて鉛直回転軸Ｖとの交点でミラー６に当たるように位置決めされている。生成されたビーム４はまた、レーザ２の角度オフセットに対応する角度オフセットを有する。したがって、生成されたビーム４はまた、ミラー６による偏向後に、レーザ２によって規定された角度付けに従って広がる。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの電磁ビーム（４、１２）を用いて立体角を走査するための方法であって、
   少なくとも１つの電磁ビーム（４）を生成するステップと、
   前記少なくとも１つの電磁ビーム（４）を、回転可能または旋回可能なミラー（６）によって、水平角に沿っておよび／または鉛直角に沿って偏向するステップと、
   前記少なくとも１つの電磁ビーム（４、１２）を用いて立体角を走査するステップと、
   前記水平角に沿って前記ミラー（６）と同期して回転可能な受光光学系（１８）によって、少なくとも１つの反射された電磁ビーム（１６）を受け取るステップと、
   を含む方法において、
   前記少なくとも１つの電磁ビーム（４）が、前記ミラー（６）の下流に接続されたビームスプリッタ（８）によって、少なくとも２つの電磁ビーム（１２）に分割され、
   前記偏向された電磁ビーム（４）と前記ビームスプリッタ（８）によって生成された少なくとも２つの電磁ビーム（１２）とを含む少なくとも３つの電磁ビームのうち、第１の電磁ビームによって互いに離間された平行な第２および第３の電磁ビーム（４、１２）が組み合わされてビーム群（２０、２２、２４）を形成することを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも２つの生成された電磁ビーム（１２）が、互いに離間されて生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも２つの生成された電磁ビーム（１２）が、互いに角度オフセットされて生成される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのビーム群（２０、２２、２４）の前記少なくとも２つの電磁ビーム（４、１２）が、互いに平行に向き調整されて生成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記受光光学系（１８）によって受け取られた前記少なくとも１つの反射された電磁ビーム（１６）が、少なくとも２つの検出器要素（１４）に向けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 少なくとも１つの検出器要素（１４）が、間隔または角度オフセットに基づいて、少なくとも１つの生成された電磁ビーム（４、１２）またはビーム群（２０、２２、２４）に割り当てられる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実行するＬＩＤＡＲ装置（１）であって、
   少なくとも１つの電磁ビーム（４）を生成するための少なくとも１つのビーム源（２）と、
   水平角に沿って、および／または鉛直角に沿って、前記生成された少なくとも１つの電磁ビーム（４）を偏向するための旋回可能なミラー（６）と、
   物体（１７）で反射された少なくとも１つの電磁ビーム（１６）を受け取るための、前記ミラー（６）と同期して回転可能な受光光学系（１８）と
   を備えるＬＩＤＡＲ装置（１）において、
   角度オフセットおよび／または横方向オフセットされた少なくとも２つの部分ビーム（１２）に分割された少なくとも１つの電磁ビーム（４）によって前記走査が行われる
   ことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置（１）。
8. 前記ミラー（６）、前記受光光学系（１８）、および前記検出器要素（１４）が、鉛直に延びる回転軸（Ｖ）に沿って、互いに従属または独立して回転可能である、請求項７に記載のＬＩＤＡＲ装置。
9. 前記ミラー（６）が、前記鉛直回転軸（Ｖ）に直交して旋回可能である、請求項７または８に記載のＬＩＤＡＲ装置。

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