特許 7074881 波長変換を備えたＬＩＤＡＲ測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-16

(45)【発行日】2022-05-24

(54)【発明の名称】波長変換を備えたＬＩＤＡＲ測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20220517BHJP

   G02F 1/37 20060101ALN20220517BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 A

G02F1/37

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020555211

(86)(22)【出願日】2019-04-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-08-19

(86)【国際出願番号】 EP2019058394

(87)【国際公開番号】W WO2019197242

(87)【国際公開日】2019-10-17

【審査請求日】2020-12-07

(31)【優先権主張番号】102018205381.2

(32)【優先日】2018-04-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】520158920

【氏名又は名称】イベオ オートモーティブ システムズ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】Ｉｂｅｏ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100196117

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 利恵

(72)【発明者】

【氏名】ステファン ハックシュピール

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１０８８３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２７７７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２７９２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０６０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５０５４６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０２Ｆ １／３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＬＩＤＡＲ測定システム（１０）であって、
エミッタ素子（１８）と、センサ素子（２８）と、光学素子（３０）とを備え、
前記エミッタ素子（１８）が、第１の波長（２２ａ）のレーザー光を放射し、該レーザー光が、物体（２４）における反射の後に前記ＬＩＤＡＲ測定システム（１０）に再び衝突し、
入射した前記レーザー光が、前記光学素子（３０）を通過し、前記センサ素子（２８）に衝突し、
波長変換器（３６）が、前記ＬＩＤＡＲ測定システム（１０）上に搭載され、前記波長変換器（３６）が、前記レーザー光の前記第１の波長を第２の波長に変換することによって、該第２の波長の前記レーザー光が前記センサ素子（２８）に衝突し、
前記波長変換器（３６）が、受信側ビーム経路内の波長変換器素子によって形成され、
前記波長変換器素子は、前記光学素子（３０）の前記レーザー光の入射側に配置され、
前記光学素子（３０）は、受信レンズである、ＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。

【請求項2】

前記波長変換器（３６）が、前記光学素子（３０）上のコーティングとして適用される、請求項１に記載のＬＩＤＡＲ測定システム（１０）。

【請求項3】

前記センサ素子（２８）上またはセンサチップ（２６）上のコーティングとして適用される波長変換器を更に備える請求項１又は２に記載のＬＩＤＡＲ測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１のプリアンブルによるＬＩＤＡＲ測定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

エミッタ素子と、センサ素子と、光学素子とを有する、ＬＩＤＡＲ測定システムが知られている。エミッタ素子は、固定波長のレーザー光を放射する。このレーザー光は、通常はレーザーパルスの形態であり、物体において少なくとも部分的に反射され、測定システムに向けて戻されることが可能である。この反射光は、光学素子に衝突し、光学素子を通ってセンサ素子上へと案内される。センサ素子は、入射レーザーパルスを検出し、レーザーパルスの飛行時間によって、ＬＩＤＡＲ測定システムから物体までの距離を導き出すことができる。エミッタ素子およびセンサ素子は、通常は異なるチップ上にあり、エミッタ素子およびセンサ素子に対して使用される材料も異なる。したがって、波長に関して言えば、センサ素子は、エミッタ素子の送信範囲内に最適検出範囲を有しない。例えば、エミッタ素子の波長は赤外域にあり得るのに対して、センサ素子は可視光スペクトル内で最適な検出をもたらす。赤外域における検出は可能であるが、これは低効率しかもたらさない。

【0003】

特許文献１は、照明面を備えた少なくとも１つの個別に動作するＬＥＤ光ユニットを有する送信部を備える、測定システムを開示している。

【0004】

特許文献２は、第１の光パラメトリック発振器を備えた非線形光周波数変換器に関する。

【0005】

特許文献３は、第１の所定の波長の光を放射する光源を備えるセンサ装置を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７１２１３４６号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０２００８００５１２９号明細書

【文献】国際公開第２０１８／１７２１１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、エミッタ素子およびセンサ素子に対して異なる材料を使用することを可能にし、検出効率を改善する、ＬＩＤＡＲ測定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】

この目的は、請求項１によるＬＩＤＡＲ測定システムによっても達成される。従属請求項は、ＬＩＤＡＲ測定システムの有利な実施形態を示す。

【0009】

ＬＩＤＡＲ測定システムは自動車に適している。特に、ＬＩＤＡＲ測定システムは、自動車に静的に搭載され、有利には、それ自体に移動する構成要素またはアセンブリを有しない。ＬＩＤＡＲ測定システムは、エミッタ素子と、センサ素子と、光学素子とを備える。

【0010】

エミッタ素子は、好ましくはチップ上に搭載される。センサ素子も、好ましくはチップ上に搭載される。エミッタ素子およびセンサ素子は、便利には、異なるチップ上に搭載される。好ましくは、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）がエミッタ素子として使用される。センサ素子は、有利には、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）として設計される。

【0011】

特に有利な例では、エミッタ素子は送信部上に搭載され、センサ素子は受信部上に搭載される。これらの部分は、他の構成要素の中でも特に、エミッタ素子またはセンサ素子を備えたそれぞれのチップを備える。

【0012】

便利には、複数のエミッタ素子および複数のセンサ素子がチップ毎に搭載される。好ましくは、エミッタ素子はセンサ素子に割り当てられる。つまり、特定のエミッタ素子によって放射され反射した光パルスが、割り当てられたレーザー素子に衝突する。特に有利には、エミッタ素子およびセンサ素子はマトリックス状に、特に行および列の構成で配置される。

【0013】

距離測定の始めに、エミッタ素子は、特定の立体角へと照射されるレーザーパルスを放射する。このレーザー光は、好ましくは光パルスとして放射され、対応する立体角内に載置された物体で反射させることができ、次に少なくとも部分的に反射してＬＩＤＡＲ測定システムに戻される。ＬＩＤＡＲ測定システムで、レーザーパルスの反射した部分がセンサ素子によって検出される。物体までの距離、したがって物体の位置は、光パルスの飛行時間から決定される。

【0014】

ＬＩＤＡＲ測定システムは、好ましくは１つまたは複数の光学素子を有する。出射レーザー光または入射レーザー光は、これらの光学素子を通過する。放射光は、エミッタ素子から始まって、光学素子に通され、エミッタ素子と関連付けられた立体角に入る。したがって、この立体角から到達する光は、更なる光学素子を通して、この立体角と関連付けられたセンサ素子上に向けられる。エミッタ素子には固定の立体角が割り当てられ、センサ素子にも特定の立体角が割り当てられるので、エミッタ素子から放射されたレーザーパルスは常に同じセンサ素子に衝突する。したがって、１つのセンサ素子は１つのエミッタ素子に割り当てられる。一例として、センサ素子は、１つを超えるセンサ素子の群によって実現することもできる。

【0015】

受信部と相互作用する光学素子は、受信レンズとも呼ばれる。加えて、受信部は、有利には、焦点面アレイ構成によって実現される。かかるＦＰＡでは、受信部のセンサ素子は基本的に面上に配置される。この面、即ちチップのセンサ素子は、受信レンズの焦点に配置される。この焦点面アレイは、受信部の静的配置をもたらすので、ＬＩＤＡＲ測定システムには移動する構成要素は搭載されない。

【0016】

送信部も、有利にはＦＰＡ構成で具体化される。受信部に関する説明が同じようにここに当てはまる。送信部と関連付けられた光学素子は発信レンズと呼ばれる。

【0017】

ＬＩＤＡＲ測定システムはまた、電子部品のセットを備え、この電子部品のセットは、センサ素子およびエミッタ素子を適切に制御し、少なくともセンサ素子の読出しも可能にする。

【0018】

特に、ＬＩＤＡＲ測定システムは、決定されたデータを送信するために、接続部を介して車両の他の構成要素に接続される。物体までの距離は、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）を使用して決定される。

【0019】

測定サイクルの間、エミッタ素子は第１の波長のレーザー光を放射する。物体における反射の後、従来のＬＩＤＡＲ測定システムでは、このレーザー光は不変のままセンサ素子に衝突する。

【0020】

改善されたＬＩＤＡＲ測定システムは、レーザー光の第１の波長を第２の波長に変換する波長変換器を更に備えるので、レーザー光は第２の波長でセンサ素子に衝突する。この波長の変化は、例えば、非線形光学材料で起こる場合がある。

【0021】

かかるプロセスは、例えば、光子アップコンバージョンとも呼ばれる上方変換によって実施することができる。波長変換器は、複数の長波長光子を検出し、次にそれらをより短い波長の光子として放射する。例えば周波数逓倍を含む、複数の異なる変換プロセス、およびこの目的で使用することができる、関連する非線形光学材料または材料の組み合わせが知られている。

【0022】

上述したように、エミッタ素子によって放射されたレーザー光が、使用されるセンサ素子の最適検出範囲内にあることはほとんどない。波長変換によって、入射波長をセンサ素子の最適検出範囲内へとシフトさせることが可能になる。

【0023】

シリコン製のセンサ素子の場合、波長は可視範囲内であろう。ＬＩＤＡＲ用途に使用される標準的なレーザーはほとんど赤外範囲内で放射するが、赤外範囲内では、シリコンは、検出能力を有するとしても、その検出能力は弱い。

【0024】

例えば、エミッタ素子に対して、第１の波長のレーザー光を使用することができ、第１の波長のレーザー光は、センサ素子で全く検出できない。波長変換器を通過することによって、第１の波長がセンサ素子の最適検出範囲内へとシフトされる。これは、レーザー光の出力電力が他の因子の中でも特に波長に応じて決まるという意味において有利である。これは目の安全にも関連する。

【0025】

約１，５００ナノメートルの波長を使用する場合、送信電力は、例えば、９５０ナノメートルの波長の１０～２０倍に設計することができる。波長変換器の効率は約２０％しかないが、それでもなお、このことによってセンサ素子における入射電力が２～４倍に増加する。これによって物体の検出が更に改善される。

【0026】

例えば、エルビウムをドープしたフッ化ナトリウムイットリウムを波長変換に使用することができる。しかしながら、この上方変換に適した他の多数の材料が存在する。

【0027】

本発明によれば、波長変換器が、受信側ビーム経路内の波長変換器素子によって形成されることが提案される。

【0028】

波長変換器素子は、ＬＩＤＡＲ測定システムに入射する光のビーム経路内の別個の光学構成要素として形成することができる。ビーム経路は、立体角からセンサ素子に入射する光が進む経路によって規定される。波長変換器素子は、例えばディスクによって形成することができる。

【0029】

便利な構成では、波長変換器素子は、光学素子とセンサ素子との間に、または入射光ビームに対して光学素子の前方に配置される。

【0030】

入射レーザー光は、光学素子を通過する前または通過した後に、第１の波長から第２の波長に変換される。

【0031】

更に、波長変換器が光学素子上のコーティングとして適用されることが提案される。

【0032】

コーティングは、センサ素子側またはセンサ素子から遠い側で、光学素子に適用することができる。かかるコーティングは、例えば、蒸着によって、接着剤結合を用いて、または別の方法によって適用することができる。

【0033】

別の有利な変形例の実施形態では、波長変換器は、センサ素子上またはセンサチップ上のコーティングとして適用される。

【0034】

コーティングは、各センサ素子に対して個々に、またはセンサチップ全体に対して集合的に形成することができる。

【0035】

好ましくは上述の実施形態のうちの１つにしたがって設計することができる、いくつかの波長変換器を使用することもできる。例えば、光学素子の両側をコーティングすることができる。

【0036】

以下、複数の図面に基づいてＬＩＤＡＲ測定システムについて更に詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】ＬＩＤＡＲ測定システムおよびＬＩＤＡＲ受信部およびＬＩＤＡＲ送信部の概略図である。

【図2】図１に示される受信経路の代替実施形態を示す図である。

【図3】図１に示される受信経路の代替実施形態を示す図である。

【図4】図１に示される受信経路の代替実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

図１は、ＬＩＤＡＲ測定システム１０を示している。ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、概略的にのみ示されているが、その動作原理を説明するには十分であろう。ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、ＬＩＤＡＲ送信部１２と、ＬＩＤＡＲ受信部１４とを備える。

【0039】

ＬＩＤＡＲ送信部はチップ１６を有し、その上にエミッタ素子１８が形成される。このエミッタ素子１８は、例えばレーザーによって実現される。このレーザーは、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）によって実現することができる。図１は、単一のエミッタ素子１８のみを示しているが、ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、好ましくは複数のエミッタ素子１８を有する。

【0040】

ＬＩＤＡＲ測定システム１０は、ＬＩＤＡＲ送信部１２と相互作用する発信レンズ２０を備える。この発信レンズ２０は、好ましくはレーザーパルス２２の形態の、エミッタ素子１８によって放射されるレーザー光を、規定された空間的方向に向けるのに使用することができる。複数のエミッタ素子１８が使用される場合、発信レンズ２０を通して異なる立体角へとレーザー光を送信する。レーザーパルスは、物体２４で反射させ、後にＬＩＤＡＲ受信部１４に衝突することができる。

【0041】

ＬＩＤＡＲ受信部１４はチップ２６を有し、その上にセンサ素子２８が形成される。センサ素子２８は、有利には、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）によって実現される。ＬＩＤＡＲ測定システムは、ＬＩＤＡＲ受信部１４と相互作用する受信レンズ３０を備え、受信レンズは、物体２４で反射したレーザー光をセンサ素子２８上に向ける。

【0042】

有利には、チップ２６は、チップ１６が有するエミッタ素子１８と同数のセンサ素子を有する。それぞれのレンズ２０、３０と併せて、特定のセンサ素子２８がエミッタ素子１８に割り当てられ、それらはレンズ２０、３０を介して同じ立体角を観察する。特に有利な例では、発信レンズ２０および受信レンズ３０は同一に形成される。あるいは、複数のセンサ素子が１つのエミッタ素子１８に割り当てられるように、センサ素子２８はセンサ素子群として形成することもできる。

【0043】

入射レーザーパルス２２は次にセンサ素子２８を始動させ、物体２４までの距離がレーザーパルス２２の飛行時間によって決定される。ＬＩＤＡＲ測定システム１０からの物体２４の距離は、好ましくは電子部品３２によって決定される。電子部品３２は単純化した形態で示されており、これ以上は記載しない。特に、ＬＩＤＡＲ測定システム１０からの物体２４の距離を決定するのに、ＴＣＳＰＣ方法が使用される。

【0044】

複数のエミッタ素子１８およびセンサ素子２８が使用される場合、好ましくは、焦点面アレイ（ＦＰＡ）状に配置される。

【0045】

電子部品３２は、一方ではセンサ素子を評価し、他方では、ＬＩＤＡＲ測定システム１０の測定サイクルの適正なシーケンスを監視する。電子部品は、接続部３４を介して、自動車の他の構成要素にも接続される。特に、ＬＩＤＡＲ測定システムは接続部３４を介して測定データを送信することができる。

【0046】

レーザーパルス２２の形態で入射する反射レーザー光のビーム経路内に、波長変換器３６も配置される。この波長変換器３６は、第１の波長２２ａの入射光を第２の波長２２ｂの放射光に変換する材料で作られる。エミッタ素子１８が放射するレーザー光２２は第１の波長２２ａを有する。この第１の波長２２ａは、レーザー光が伝播する間、不変のままである。レーザーパルス２２またはレーザー光が波長変換器３６に衝突すると、第１の波長２２ａが第１の波長２２ａとは異なる第２の波長２２ｂに変化する。第１の波長２２ａは、参照符号２２ａによって示された放射経路上に例示的な形で示されており、第２の波長は２２ｂで示されている。したがって、参照符号はレーザー光２２の波長を性質として表す。

【0047】

図１によれば、波長変換器３６は、別個の要素として、特にディスクとして、受信レンズ３０とセンサ素子２８との間のビーム経路内に配置される。したがって、入ってくるレーザー光は、受信レンズ３０を通過し、波長変換器３６を通過し、そこで第１の波長が第２の波長に変換され、次にセンサ素子２８に衝突する。

【0048】

波長変換器３６により、レーザー光を長波長で放射することができるので、レーザー光出力レベルが高い場合でも、人間の目にとって危険はない。かかる波長は、特に赤外範囲内である。センサ素子の便利な材料は、例えばシリコンである。その最適検出範囲は可視光スペクトル内である。したがって、波長変換器３６を使用することによって、一方では高い光出力電力を放射することができ、他方では、その最適検出範囲内で便利な検出器材料を使用することができる。

【0049】

図２は、図１に点線で囲っている、ＬＩＤＡＲ測定システム１０の受信経路の代替実施形態を示している。例えば、図１のＬＩＤＡＲ受信部を図２のものに置き換えることができる。図１とは対照的に、波長変換器３６は、別個の光学素子によって形成されるのではなく、コーティングの形態でセンサ素子２８に適用される。これによって、入射レーザー光がセンサ素子２８に衝突する直前に変換される。

【0050】

図３は、波長変換器システム３６の構成の更なる実施形態を示している。センサ素子２８をコーティングする代わりに、対応するコーティングが受信レンズ３０に適用される。このコーティングの形態の波長変換器３６は、上述した２つの変形例の実施形態と同じ効果を有する。コーティングはセンサ素子側で受信レンズ３０に適用される。

【0051】

図４も、図３と同様の実施形態を示している。この場合、波長変換器３６は、センサ素子から遠い受信レンズ３０の側にコーティングの形態で適用される。

【符号の説明】

【0052】

１０ ＬＩＤＡＲ測定システム
１２ ＬＩＤＡＲ送信部
１４ ＬＩＤＡＲ受信部
１６ チップ
１８ エミッタ素子
２０ 送信レンズ
２２ レーザー光／レーザーパルス
２２ａ 第１の波長
２２ｂ 第２の波長
２４ 物体
２６ チップ
２８ センサ素子
３０ 受信レンズ
３２ 電子部品
３４ 接続部
３６ 波長変換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】