CN103018900A - 光投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光投射装置。该光投射装置包括：光源；第一反射镜，能够在预定角度范围内转动并反射来自光源的光；以及两个中继透镜，光通过两个中继透镜，其中，两个中继透镜被设置在共轭位置处，以及，设置在第一反射镜一侧的中继透镜的焦距大于另一中继透镜的焦距。

Description

光投射装置

本申请是申请日为2010年11月2日、申请号为201010530217.5、发明名称为“聚光透镜及三维距离测量装置”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光投射装置。

背景技术

现有一些使用激光作为测量光来测量至待测目标的距离的距离测量装置。

这种距离测量装置的实例包括这样一种装置，该装置调制激光并用经调制的激光照射待测目标，以通过检测从激光源向待测目标发出的光和在被目标反射后入射到光接收元件上的光之间的相位差来测量距离。

其它实例包括以下的距离测量装置，该距离测量装置向待测目标发出激光脉冲，以通过测量从激光源发出到在激光脉冲被待测目标反射后入射在光接收元件上的激光脉冲的往返时间来测量距离。

例如，上述距离测量装置可以被结合在工业机器人中从而测量机器人与设置在机器人周围的待测目标的距离、被结合在汽车中从而测量汽车之间的距离等。距离测量装置也可以被结合在游戏设备中，从而测量预定位置与作为待测目标的用户的距离。

在某些距离测量装置中，在预定方向上转动光投射镜（light projectingmirror），以用由光投射镜反射的激光线性扫描待测目标，从而测量二维距离（例如，见日本专利第3908226号、日本专利第3875665号、和日本未审查专利申请公开第2009-162659号）。

在其它距离测量装置中，围绕与光投射镜的转动轴不同的转动轴来转动整个装置，或者转动棱镜群从而扩展待测目标的扫描区，从而测量三维距离（例如，见日本专利第4059911号和日本未审查专利申请公开第07-98379号）。

在其它的距离测量装置中，使用电流镜（galvano mirror）或MEMS（微电子机械系统）镜作为光投射镜通过激光重复执行扫描，从而测量二维或三维距离。

发明内容

在上述三维距离测量装置中，需要在一定视角范围内获取关于待测目标的距离信息。

这种在一定视角范围内获取关于待测目标的距离信息的三维距离测量装置的实例包括使用广角短焦透镜会聚整个视角范围的激光从而使激光入射在光接收元件上的装置。

然而，即使使用广角短焦透镜，由于透镜的数值孔径受到限制，因此，图像的高度很大程度上依赖于视角的大小，这使得很难有效地将光会聚在光接收元件上。

因此，可以使用多个广角短焦距透镜以分担（cover）视角的各分割部分，从而各透镜按照所用的透镜数目分担减小的视角部分。然而，因为广角短焦透镜具有很大的数值孔径，所以很难提供为多个广角短焦透镜共用的光接收元件。

另外，在上述三维距离测量装置中，为了测量关于正在运动的待测目标的距离信息，特别需要精确快速地获取距离信息。

为了精确快速地获取距离信息，需要在一定的视角范围内确保足量的由光接收元件接收的光，并且为了提高扫描期间内的扫描频率并确保光接收元件的适当的频率特性，需要减小光接收元件的光接收面积。

考虑到上述情况，期望提供确保足量的由光接收元件接收到的光并减小光接收元件的光接收面积的聚光透镜和三维距离测量装置。

根据本发明的实施方式，提供了一种聚光透镜，其包括并排设置在视角的分割方向上的多个透镜，以会聚与视角的各个分割部分相对应的范围内的入射光，所述视角在与入射光的光轴正交的方向上被分割。

在聚光透镜中，这些透镜将在相应于视角的各个分割部分的范围内的激光会聚在光接收元件上。

因此，可确保光接收元件接收到足量的光，并减小光接收元件的光接收面积。

在上述聚光透镜中，期望多个透镜中的至少其中一个应相对于光轴以预定角度在分割方向上被倾斜设置。

通过多个透镜中的至少一个相对于光轴以预定角度在分割方向上被倾斜设置，可使激光以距离测量所需的预定直径入射在光接收元件上。

这样可以提高在距离测量中的测量精度。

在上述聚光透镜中，期望当透镜在分割方向上倾斜的预定角度被定义为θ_L时，应满足下面的条件表达式（1）和（2）：

（1）如果n为奇数，则θ_L=(N-1)×(θ/n)，并且

（2）如果n为偶数，则θ_L=(N-1/2)×(θ/n)，

其中

N为参照光轴计数的透镜的编号，

θ为分割方向上的视角，以及

n为视角被分割的数目。

通过满足条件表达式（1）和（2），优化了透镜的倾斜角θ_L。

这样使聚光透镜在很宽的视角范围内会聚激光，从而确保光接收元件接收到足量的光。

在上述聚光透镜中，期望应该将透镜形成在分割方向上具有比在与光轴正交并与分割方向正交的方向上更短的有效光学表面，并且当透镜在分割方向上的数值孔径被定义为N A_i时，应满足下面的条件表达式（8）：

（8）NA_i≤(1/2f){(1/2)(L+d)sin(θ/2n)-2d×tan(θ/2n)}

其中

f为透镜的焦距，

L为后焦，以及

d为透镜的轴向厚度。

通过满足条件表达式（8），光束在透镜的入射面侧不彼此重叠。

这样允许适当的距离测量操作。

期望上述聚光透镜由多个透镜集成形成。

通过由多个透镜集成形成聚光透镜，不需要分别制造多个透镜。

因此，可以降低制造成本。

根据本发明的实施方式，也可以提供用于使用测量光来测量至待测目标的距离的三维距离测量装置，包括会聚被待测目标反射而被散射的激光的聚光透镜，其中，聚光透镜包括并排设置在视角的分割方向上的多个透镜，以在相应于在与入射光的光轴正交的方向上被分割的视角的各个部分的范围内会聚入射光。

在该三维距离测量装置中，该透镜将在与视角的各个分割部分相对应的范围内的激光会聚在光接收元件上。

因此，可确保光接收元件接收到足量的光，并减小光接收元件的光接收面积。

期望上述三维距离测量装置进一步包括：至少一个激光光源，发射激光作为测量光；光学元件，使从激光光源所发射的激光整形成大体平行光；光投射镜，能够在预定角度范围内转动，并反射已经通过光学元件被整形成大体平行光的激光，从而通过激光扫描待测目标；光接收元件，接收通过聚光透镜所会聚的激光；以及处理部，通过处理根据光接收元件所接收的激光所生成的光接收信号来计算关于待测目标的距离信息。

通过如上所述所构成的三维距离测量装置，可以以更高的精度测量至待测目标的距离。

在上述三维距离测量装置中，期望在聚光透镜的发射面的紧后形成光圈。

通过在聚光透镜的发射面的紧后所形成的光圈，光束不会在邻近透镜的发射面侧彼此重叠。

这样允许合适的距离测量操作。

在上述三维距离测量装置中，期望光投射镜应该包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜绕着彼此正交的各个轴可转动或旋转，两个中继透镜应设置在第一反射镜与第二反射镜之间，从而使从光源所发射并通过第一反射镜被反射的激光入射在第二反射镜上，两个中继透镜设置在共轭位置处，并且设置在第一反射镜侧的中继透镜的焦距应该大于设置在第二反射镜侧的中继透镜的焦距。

通过如上所述所设置的第一反射镜、第二反射镜及两个中继透镜，设置在第二反射镜侧的中继透镜的聚光角大于设置在第一反射镜侧的中继透镜的聚光角。

因此，对于待测目标的扫描角度相对于第一反射镜的转动角而增大。

在上述三维距离测量装置中，期望光接收元件的光接收面应该形成为在分割方向上比在与光轴正交并与分割方向正交的方向上更长。

通过光接收元件的光接收面形成为在分割方向上比在与光轴正交并与分割方向正交的方向上更长，视角的分割方向与光接收面的纵向方向彼此一致。

这样允许充分的激光接收，并增加所接收的激光量。

根据本发明的实施方式，提供了一种光投射装置，其包括：光源；第一反射镜，能够在预定角度范围内转动并反射来自光源的光；以及两个中继透镜，光通过两个中继透镜，其中，两个中继透镜被设置在共轭位置处，以及，设置在第一反射镜一侧的中继透镜的焦距大于另一中继透镜的焦距。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施方式的三维距离测量装置的整体结构的平面图；

图2是示出了从激光至第二反射镜的光路以及在光路中所设置的各种组件的侧视图；

图3是示出了聚光单元的放大透视图；

图4是示出了三维距离测量装置的电路的框图；

图5A是示出了在激光光源已经开始发射激光时第二反射镜的状态的概图；

图5B是示出了在激光光源已经开始发射激光时多面体的状态的概图；

图6A是示出了在激光光源开始发射激光后过去一定时间时第二反射镜的状态的概图；

图6B是示出了在激光光源开始发射激光后过去一定时间时多面体的状态的概图；

图7是示出了透镜的放大透视图；

图8是示出了透镜的放大正视图；

图9是示出了透镜会聚激光的状态的放大平面图；

图10是示出透镜所分担的视角的概图；

图11是示出了光束（luminous flux）在透镜的发射面（emission surface）侧彼此重叠的状态的概图；

图12是示出了在透镜的发射面侧的光束之间的重叠已经被消除的状态的概图；

图13是示出了光束在透镜的发射面侧彼此重叠的状态的概图；

图14是示出了如何消除在透镜的入射面侧的光束之间的重叠的概图；

图15是示出了在透镜的入射面侧的光束之间的重叠已经被消除的状态的概念图；以及

图16是示出了具有电流镜的示例性三维距离测量装置的透视图。

具体实施方式

下面，将参照附图描述本发明的实施方式。

[三维距离测量装置的整体结构]

下面，将描述三维距离测量装置的整体结构。

<第一实施方式>

首先，将参照图1～图3来描述根据第一实施方式的三维距离测量装置1。

三维距离测量装置1包括激光光源2、光学元件3、光投射镜4、中继透镜5、5、聚光单元6以及光接收元件7（见图1～图3）。

例如，激光光源2可以为激光二极管。激光光源2可以根据半导体的组成元件振荡产生（oscillate）具有各种波长的激光。可以设置多个激光光源2。

例如，光学元件3可以为准直透镜。光学元件3具有将入射激光整形为大体平行光从而发射大体平行光的功能。

光投射镜4包括第一反射镜8和第二反射镜9。

例如，第一反射镜8可以为MEMS镜。例如，第一反射镜8可绕着在水平方向上延伸的轴转动。

例如，第二反射镜9可以为多角镜（polygon mirror）。第二反射镜9可绕着在垂直方向上延伸的轴旋转。第二反射镜9具有在垂直方向上厚度很薄的正八边形形状。第二反射镜9的外周表面被分别形成为面向水平方向的八个反射面9a、9a、...。

中继透镜5、5均为双凸透镜，并以隔开的关系被设置在第一反射镜8与第二反射镜9之间。中继透镜5、5被设置在共轭位置。设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的焦距比设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的焦距长，例如，焦距比为2:1。因此，如图2所示，如果将设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的焦距定义为F，则中继透镜5、5之间的距离为3F，第一反射镜8与设置在第一反射镜8侧的中继透镜5之间的距离为2F，并且第二反射镜9与设置在第二反射镜9侧的中继透镜5之间的距离为F。因此，如果设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的聚光角被定义为α，而设置在第二反射镜9的中继透镜5的聚光角被定义为β，则建立了α<β的关系。

如图1和图3所示，聚光单元6包括以多角柱体的形状形成的多面体10，以及分别附加至多面体10的外周表面10a、10a、...的聚光透镜11、11、...。

多面体10的外周表面10a、10a、...被以彼此相同的尺寸和形状来形成，并被配置为面向水平方向。

例如，聚光透镜11被分别设置在多面体10的外周表面10a上除了外周表面10a的外围部分之外的部分。

例如，光接收元件7以在垂直方向上被拉长的板形形状形成，并被固定在聚光单元6的旋转中心的位置处。因此，聚光单元6绕着光接收元件7旋转。在面向水平方向的光接收元件7的一个表面上形成光接收面7a。

在如上所述所构成的三维距离测量装置1中，如图1和图2所示，当激光光源2发射激光（例如，具有约785nm波长的红外光）时，通过光学元件3将所发射的激光形成大体平行光，从而入射在光投射镜4的第一反射镜8上。激光被第一反射镜8反射至第二反射镜9。在这种情况下，第一反射镜8在预定角度范围内绕着在水平方向上延伸的轴转动。

由第一反射镜8反射的激光穿过中继透镜5、5，并被顺序会聚而入射在第二反射镜9的反射面9a、9a、...上。在这种情况下，第二反射镜9在水平方向上旋转，因此，激光在一定角度范围内被反射面9a、9a、...反射，被投射至待测目标100，从而扫描待测目标100。

投射至待测目标100的激光被待测目标100反射，并形成顺序入射在聚光单元6的聚光透镜11、11、...上的散射光（diffusion light），从而。由于聚光单元6在水平方向上旋转，所以入射在聚光透镜11、11、...上的激光被聚光透镜11、11、...顺序会聚，从而入射在光接收元件7上。

可以在待测目标100与聚光单元6之间设置光接收镜，在这种情况下，由待测目标100反射的激光被光接收镜反射，从而入射在聚光透镜11、11、...上。

基于入射在光接收元件7上的激光来生成光接收信号。所生成的光接收信号被处理部处理（将在随后描述），从而计算用于距离测量的关于待测目标100的距离信息。

例如，可以通过计算被待测目标100反射而入射在光接收元件7上之后所检测的脉冲波相对于发出激光作为脉冲时产生的脉冲波的时间差来执行关于待测目标100的距离测量。

[三维距离测量装置的电路]

接下来，将参照图4来描述三维距离测量装置1的电路。下面所描述的电路相应于上述三维距离测量装置的实例，其使用所谓的飞行时间技术，其中，通过计算激光的往返时间（即，激光脉冲发射和接收之间的时间差）来计算距离。

激光光源2被光源驱动器12驱动以发射激光（激光脉冲）作为测量光。基于由光源驱动器12所设定的光源驱动电流来控制从激光光源2所发射的激光的输出。

发射的激光的一部分入射在设置于激光光源2附近的监控光接收元件13上。根据基于入射在监控光接收元件13上的激光所生成的观测电压，通过输出调节部14来控制通过光源驱动器12所设定的光源驱动电流的值。

定时生成模块（timing generating block）15通过将用于通过激光扫描的驱动定时信号传送至驱动光投射镜4和聚光单元6的驱动电路16，并将与驱动定时信号同步的发光指令脉冲传送至光源驱动器12来控制脉冲发射定时。

发光指令脉冲也被传送至时差测量模块17，作为测量激光往返时间的参考信号。

定时生成模块15也生成用于观测（用于调节激光输出的）监控光接收元件13的电压的定时信号，并将关于光投射镜4和聚光单元6的定时信息（或者相位信息）传送至CPU（中央处理器）18。

光接收元件7接收被待测目标100反射并被聚光单元6会聚的激光。光接收元件7生成通常与入射激光量成比例的电流脉冲。所生成的电流脉冲被I/V转换器电路19转换成光接收电压（光接收信号），并被传递至放大器模块20。

放大器模块20放大经由通过I/V转换器电路19所执行的转换而获取的光接收电压，并将放大的光接收电压传送至上升检测模块21。例如，因为光接收电压具有很宽的动态范围，所以放大器模块20包括用于信号电平调节的可变增益放大器。

例如，上升检测模块21包括比较器，并将输入的模拟脉冲转换成数字光接收脉冲（二进制信号），从而将数字光接收脉冲传送至时差测量模块17。

时差测量模块17测量发光指令脉冲与光接收脉冲之间的时差，从而计算从激光光源2所发射的激光的往返时间。

距离转换器模块22将通过时差测量块17所计算的往返时间（时间信息）转换成距离信息，从而将距离信息传送至CPU 18。通过转换所获取的距离信息被CPU 18处理，并被输出至外部设备。

上述放大器模块20、上升检测模块21、时差测量模块17以及距离转换器模块22用作处理部，其处理基于入射在光接收元件7上的激光所生成的光接收电压（光接收信号），从而计算关于待测目标100的距离信息。

[中继透镜和光投射镜的特定结构]

在三维距离测量装置1中，如上所述，中继透镜5、5以隔开的关系被设置第一反射镜8与第二反射镜9之间，并且被设置在共轭位置处（见图2）。通过设置在这样的位置处的中继透镜5、5，第一反射镜8的反射面和第二反射镜9的反射面9a在位置上与中继透镜5、5的各个焦点一致，并且设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的焦距（2F）比设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的焦距（F）长。

因此，用于待测目标100的扫描角度相对于第一反射镜8的转动角增大。

同时，设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的聚光角β大于设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的聚光角α，这导致很高的激光缩小率（reduction ratio）。这允许第二反射镜9的厚度可以因尺寸的减小而减小。

[第二反射镜与多面体之间的关系]

接下来，将描述使用了多角镜的第二反射镜9与聚光单元6的多面体10之间的关系。

在三维距离测量装置1中，以正八边形（regular octagon）形状形成用作反射激光的装置的第二反射镜9，而用作透射激光的装置的多面体10被形成为具有正方形外部形状。即，第二反射镜9和多面体10被分别形成具有2M个面的正多面体（regular polygon）和具有M个面的规则多面体（M为大于等于3的整数）。

通过仅考虑激光的主光线而不考虑直径，对于具有正八边形的第二反射镜9的一个反射面9a，可以在2×(360°/8)=90°的扫描角度范围内扫描待测目标100。同时，对于具有正方形外部形状的多面体10的一个外周面10a，可以在360°/4=90°的扫描角度范围内接收扫描了待测目标100的激光。

因此，在用作反射装置的第二反射镜9和用作透射装置的多面体10被分别形成具有2M个面的正多面体和具有M个面的正多面体的情况下，激光在90°的扫描角度范围内（允许有效的距离测量）被投射至一个反射面9a，或者入射在一个外周面10a上。

[第二反射镜和多面体的旋转速度]

接下来，将参照图5A、图5B、图6A以及图6B来描述使用了多角镜的第二反射镜9和聚光单元6的多面体10的旋转速度。

图5A和图5B示出了在激光光源2已经开始发射激光时的状态，即，在t=0时的状态，其中，t表示激光发射后已经逝去的时间。例如，在t=0时，激光被第二反射镜9的反射面9a反射成与入射方向正交的方向。此时，第二反射镜9上的激光在水平方向上的光投射角γ₁被确定为γ₁=0（见图5A）。因此，第二反射镜9的旋转角θ_2M被确定为θ_2M=0。此外，在t=0时，入射在多面体10上的激光在水平方向上的光接收角γ₂被确定为γ₂=0（见图5B）。此时，多面体10的旋转角θ_M被确定为θ_M=0。

当第二反射镜9的角速度被定义为ω时，第二反射镜9从t=0至t=t₀时（此时，一定时间t₀已经逝去）旋转的旋转角θ_2M被定义为θ_2M=ωt₀。由于通过被反射的激光扫描待测目标100，所以第二反射镜9上的激光的光投射角γ₁为旋转角θ_2M的两倍，被表示为γ₁=2θ_2M=2ωt₀（见图6A）。

同时，当多面体10的角速度也以与第二反射镜9的角速度相同的方式被定义为ω时，多面体10从t=0至t=t₀时（此时，一定时间t₀已经逝去）旋转的旋转角θ_M被定义为θ_M=ωt₀。由于多面体10透射了激光，所以来自待测目标100的入射在多面体10上的激光的光接收角γ₂被表示为γ₂=θ_M=ωt₀。

因此，在从t=0至t=t₀的相同时间内，光投射角γ₁变为光接收角γ₂的两倍，结果，光投射角γ₁和光接收角γ₂彼此不一致。

因此，在三维距离测量装置1中，第二反射镜9与多面体10的各个角速度的比被设定为1:2，使得在第二反射镜9处的激光的光投射角γ₁和多面体10的激光的光接收角γ₂彼此一致。因此，当第二反射镜9的角速度被定义为ω时，多面体10的角速度被确定为2ω，并且在从t=0至t=t₀的时间段内入射在多面体10上的激光的光接收角γ₂被表示为γ₂=θ_M=2ωt₀，其与γ₁一致（见图6B）。

这样，在三维距离测量装置1中，在第二反射镜9处的激光的光投射角γ₁和用于多面体10的激光的光接收角γ₂彼此一致，这允许有效的距离测量。

[聚光单元的特定结构]

作为多个透镜23、23、...的组装（例如，6个透镜23、23、...的组装）来形成聚光单元6的聚光透镜11（见图3、图7以及图8）。

通过切割由图8中的虚线所表示的直径的同心非球面透镜R的上部和下部使得上下表面均为平面，来以水平长的形状形成作为所谓的I-切割透镜的透镜23。图8中的点划线所表示的圆S具有在透镜为圆形的情况下会聚用于正确距离测量的光量所需的透镜直径。透镜23的入射面23a的面积被设定为等于圆S的面积。

在三维距离测量装置1中，如上所述，光投射角γ₁和光接收角γ₂在水平方向上彼此一致。因此，在会聚激光的过程中不产生视角分量。因此，如图9所示，激光被透镜23适当地会聚以入射在光接收元件7上。

同时，在垂直方向上，第一反射镜8绕着在水平方向上延伸的轴转动，使得激光在预定角度范围内被反射。因此，需要聚光透镜11在相应于预定角度范围的很宽的视角范围内会聚激光。

通常，如果试图使用单个透镜在这样的宽视角范围内会聚激光，则光接收元件上的图像高度可能会非常大，这样不允许使用具有高频率特性的光接收元件。因此，可以使用在垂直方向上并排设置的多个透镜，使得每个透镜分担视角的分割部分，这样降低了光接收元件上的图像高度，从而允许使用具有高频率特性的光接收元件。

然而，如果透镜在垂直方向上的数值孔径很大，则在多个透镜之间不能共用光接收元件，结果，每个透镜都需要光接收元件。

因此，在三维距离测量装置1中，通过每个都被形成作为具有平面状上下表面的I-切割透镜的多个透镜23、23、...来形成聚光透镜11。透镜23、23、...被如下所述地设置，这样减小了光接收元件7上的图像高度，从而允许使用具有高频率特性和小的光接收表面的光接收元件7。

在聚光透镜11中，在垂直于入射的激光的光轴方向的垂直方向上堆叠设置透镜23、23、...，并且每个透镜23、23、...相对于水平方向倾斜预定角度（见图10）。透镜23、23、...被形成为具有彼此相同的形状和尺寸，并以使其上下部彼此重叠的方式堆叠。因此，透镜23、23、...的形状被改变，从而形成聚光透镜。但是，在图10至图15中，为了便于描述，透镜23以彼此重叠的方式被示出。

通过如上所述由多个透镜23、23、...所形成的聚光透镜11，视角θ_V在分割方向上（即，垂直方向上）被分割成n个部分（n为大于等于2的整数），数n为透镜23、23、...的数目。在三维距离测量装置1中，例如，数n被确定为n=6，并且6个透镜23、23、...分担在垂直方向上被分割的视角θ的各个部分，使得每个透镜23、23、...分担减小的视角部分（reducedportion）。

然而，需要注意，透镜23、23、...的数目不限于6，可以为任意的大于一的数值（plural value）。

由一个透镜23所分担的视角为θ_V/n。当透镜23、23、...的每一个相对于水平方向（光轴的方向）倾斜的角度被定义为倾角θ_L时，通过下面的条件表达式（1）和（2）表示倾角θ_L：

（1）如果n为奇数，则θ_L=(N-1)×(θ_V/n)，并且

（2）如果n为偶数，则θ_L=(N-1/2)×(θ_V/n)

其中

N为参照光轴所计数的透镜编号，

θ_V为垂直方向上的视角，以及

n为视角的分割数。

θ_V相当于根据实施方式的条件表达式（1）和（2）中的θ。

在n=6的聚光透镜11的情况下，适用于条件表达式（2），例如，使θ_V=48°。

当透镜23、23、...如图10所示从上侧开始被顺序定义为透镜23A、23B、...、23F时，对于透镜23A、23F，θ_L=20°，对于透镜23B、23E，θ_L=12°，对于透镜23C、23D，θ_L=4°。因此，透镜23A、23B、23C分别相对于水平方向向上倾斜20°、12°、4°角，而透镜23F、23E、23D分别相对于水平方向向下倾斜20°、12°、4°角，从而形成聚光透镜11。

这些透镜23A至23F分担θ_V=48°的视角的相等部分，或每8°(±4°)的视角。

通过如上所述相对于水平方向倾斜的透镜23、23、...，聚光透镜11可在很宽的视角范围内会聚激光。

透镜23、23、...相对于水平方向倾斜以满足条件表达式（1）和（2）。因此，优化了透镜23、23、...的倾角θ_L，这允许聚光透镜11在很宽的视角范围内会聚激光，从而确保光接收元件7接收到足量的光。

接下来，将描述具有一视角的激光的光束的图像高度，以及光接收元件7在透镜23、23、...之间的共同使用。

在垂直方向上，如上所述提供视角θ_V，因此，在光接收元件7上生成通过下面条件表达式（3）所表示的图像高度y：

（3）y=f×tan(θ_V/2n)

其中，f为透镜的焦距。

与用单个透镜会聚具有视角的激光的光束的情况相比，通过使用多个透镜23、23、...分担视角的各个分割部分而减小了图像高度。

透镜23、23、...均被形成为具有平面状上下表面的I-切割透镜。因此，与将多个普通的圆形透镜用于分担视角的各个分割部分的情况相比，透镜23、23、...在垂直方向上的数值孔径NA_V很小。通过下面的条件表达式（4）来表示透镜23、23、...在垂直方向上的数值孔径NA_V：

（4）NA_V=sin(θ_V/2n)

因此，透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NA_V可以被设定为小于等于条件表达式（4）的值。由于透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NA_V很小，所以可以在透镜23、23、...之间共用光接收元件7。

如上所述，透镜23、23、...分担视角θ_V的各个分割部分，并且需要入射在分割方向（垂直方向）上相邻的透镜23、23上的激光的光束在内部彼此不重叠。因此，需要光束在垂直方向上相邻的透镜23、23的入射面23a、23a和发射面23b、23b上都不彼此重叠。

首先，将参照图11和图12来描述防止激光的光束间重叠的光圈。光圈指的是对应于透过激光的开口以使激光的光束入射在光接收元件7的光接收面7a上而形成在光路中的光学光圈，并不特别地等价于机械光圈或光圈组件。

为了便于描述，下面将仅对在垂直方向上相邻的两个透镜23、23进行防止激光光束之间重叠的光圈的描述。

在图11和图12中，示出了从由上透镜23分担的视角中最高位置入射在上透镜23上的光束及从由下透镜23分担的视角中最低位置入射在下透镜23上的光束。

例如，在透镜23、23的入射面23a、23a紧前形成缩窄激光的光束的光圈的情况下，在发射面23b、23b侧视角为±θ_V/2n的激光在垂直方向上显著偏离，并且光束倾向于在发射面23b、23b侧彼此重叠（见图11）。

因此，为了光束不在相邻透镜23、23的发射面23b、23b侧彼此重叠，需要极度减小垂直方向上的数值孔径NA_V。

因此，为了光束不在相邻透镜23、23的发射面23b、23b侧彼此重叠，期望在发射面23b、23b紧后形成光圈（见图12）。

接下来，将参照图13至图15描述防止在入射面23a、23a侧的激光的光束之间重叠的数值孔径的值。

在图13和图15中，示出了从由上透镜23分担的视角中最低位置入射在上透镜23上的光束及从由下透镜23分担的视角中最高位置入射在下透镜23上的光束。

在如上所述在发射面23b、23b紧后形成光圈的情况下，激光在入射面23a、23a侧在垂直方向上显著偏离。因此，如果通过仅考虑发射面23b、23b侧所确定的数值孔径来设计透镜23、23，则如图13所示，光束可能会在入射面23a、23a侧彼此重叠。

因此，下面将参照图14来描述光束在入射面23a、23a上不彼此重叠的条件。

当在垂直方向上透镜23、23的入射面23a、23a之间的中心间距离被定义为D时，通过下面的条件表达式（5）来表示中心间距离D：

(5)D=2(L+d)sin(θ_V/2n)

其中

L为后焦距，并且

d为透镜的轴向厚度。

当视角为±θ_V/2n的激光的光束中的主光线在入射面23a、23a上的移动量被定义为Y时，通过下面的条件表达式（6）来表示移动量Y：

(6)Y=d×tan(θ_V/2n)

如果激光的光束的直径被定义为φ，则通过下面的条件表达式（7）来表示光束在入射面23a、23a侧彼此不重叠的直径φ的条件：

(7)2(Y+φ/2)≤D

因此，通过下面的条件表达式（8）来表示光束在入射面23a、23a侧彼此不重叠的数值孔径NA_V的条件：

(8)NA_V≤(1/2f){(1/2)(L+d)sin(θ_V/2n)-2d×tan(θ_V/2n)}

NA_V相当于根据实施方式的条件表达式（8）中的NA_i，并且θ_V相当于根据实施方式的条件表达式（8）中的θ。

当对于透镜23、23、...，数值孔径NA_V满足条件表达式（8）时，光束在入射面23a、23a侧彼此不重叠（见图15）。

在三维距离测量装置1中，在透镜23、23、...的发射面23b、23b、...紧后形成光圈，并且透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NA_V满足条件表达式（8）。

因此，在三维距离测量装置1中，入射在垂直方向上彼此相邻的透镜23、23、...上的激光的光束内部彼此不重叠，这允许三维距离测量装置1的合适的距离测量操作。

例如，如上所述所构成的聚光透镜11被作为透镜23、23、...的组装体而集成形成。

通过以这种方式集成形成的聚光透镜11，能够降低制造成本。

例如，透镜23被形成为由树脂材料构成的非球面透镜，并且具有关于光轴来说轴对称的非球面。以通过将表1中的值代入下面的方程式所获取的形状来形成透镜23。在该方程式中，r为在与光轴正交的方向上与光轴的距离，Z(r)为在与光轴距离为r处的表面形状，K为二次曲线常数，c为曲率半径，并且A_2i为非球面系数。

[方程式1]

$Z\left(r\right)=\frac{c{r}^2}{1+{\{1-(1+K)c^2{r}^2\}}^{1/2}}+\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_{2i}{r}^{2i}$

[表1]

折射率（index）(785nm)	1.535608
		轴向厚度	11mm
NAL	0.11
		NAV	0.61
焦距	21.5mm
		入射面的有效面积	60.3mm2

除了非球面系数等之外，表1也示出了折射率、轴向厚度、垂直方向上的数值孔径NA_V、水平方向上的数值孔径NA_L、焦距以及入射面的有效面积。在表1中，“E-i”为以10为底的指数表达式，即，“10^-i”。例如，“0.12345E-05”表示“0.12345×10^-5”。

[光接收元件的特定结构]

因为聚光单元6在水平方向上旋转，所以水平方向上的图像高度不重要。因此，可以在水平方向上以最小长度来形成光接收元件7。

可以设置光接收元件7的垂直方向上的长度，以便于光接收元件7可以接收到等同于通过条件表达式（3）所表示的图像高度y的激光。

因此，可以减小光接收元件7的尺寸，这样允许使用具有高频率特性的光接收元件7以支持高速操作。

光接收元件7的光接收面7a可以在作为视角的分割方向的垂直方向上被设定为比水平方向上更长。这样允许有效的激光接收，并提高了所接收的激光量。

期望光接收元件7的数目小于透镜23、23、...的数目。如上所述，可以在透镜23、23、...中共用单个的光接收元件7。

[其它结构]

在上述三维距离测量装置1中，第二反射镜9和多面体10在水平方向上被旋转，用于距离测量。然而，例如，如图16所示，可以通过电流镜24代替第二反射镜9和多面体10来形成三维距离测量装置1A。

在三维距离测量装置1A中，聚光透镜11被固定在电流镜24与光接收元件7之间。电流镜24具有第一反射面24a和第二反射面24b，并且能够在水平方向上转动。

在三维距离测量装置1A，当从激光光源2发射激光时，所发射的激光通过光学元件3被形成大体平行光。在被第一反射镜8反射后，激光通过中继透镜5、5，并被会聚入射在电流镜24的第一反射面24a上。此时，电流镜24在水平方向上转动，因此，激光以一定范围的角度被第一反射面24a反射，被投射至待测目标100，从而扫描待测目标100。

被投射至待测目标100的激光被待测目标100反射，并形成散射光，所述散射光入射在电流镜24的第二反射面24b，并被第二反射面24b反射，从而入射在聚光透镜11上。入射在聚光透镜11上的激光被会聚入射在光接收元件7上。

基于入射在光接收元件7上的激光生成光接收信号。所生成的光接收信号被处理部处理，从而计算用于距离测量的关于待测目标100的距离信息。

通过如上所述使用具有第一反射面24a和第二反射面24b的电流镜24，可以简化机构。

[结论]

如上所述，三维距离测量装置1、1A设置有包括透镜23、23、...的聚光透镜11，这些透镜在视角的各个分割部分范围内会聚激光从而将激光导向光接收元件7。因此，可确保由光接收元件7接收到足量的光，并可减小光接收元件7的光接收面积。

因此，可精确快速地获取距离信息，这样可提高在扫描期间内的扫描频率，并确保光接收元件7的适当的频率特性。

在聚光透镜11中，相对于水平方向以各预定角度倾斜设置多个透镜23、23、...。因此，可使激光以距离测量所需的预定直径入射在光接收元件7上，这样可提高距离测量的测量精度。

在三维距离测量装置1、1A中，可以相对于水平方向不倾斜地设置透镜23、23、...。

在上面的实例中，聚光透镜11、11、...被设置在垂直方向上。然而，应考虑视角的分割方向来确定聚光透镜11、11、...设置的方向，从而使其与视角的分割方向一致。例如，如果视角的分割方向为水平方向，则聚光透镜11、11、...也应该设置在水平方向上。

视角的分割方向并不限制于垂直方向或水平方向，可以根据激光执行扫描的方向被改变至与激光的光轴正交的期望方向上。

在上面的实例中，三维距离测量装置1、1A通过测量激光的往返时间来计算距离。然而，三维距离测量装置1、1A可以通过检测发射的光与入射的光之间的相位差来测量距离。

本发明包含于2009年11月9日向日本专利局提交的日本优先权专利申请第2009-256053号的主题，其全部内容结合于此作为参考。

在上述优选实施方式中描述的各组件的特定形状和结构仅用于说明本发明的示例性实施方式，并不应理解为限制本发明的技术范围。

Claims (8)

1.一种光投射装置，包括：

光源，

第一反射镜，能够在预定角度范围内转动并反射来自所述光源的光，以及

两个中继透镜，所述光通过所述两个中继透镜，

其中，所述两个中继透镜被设置在共轭位置处，以及，

设置在所述第一反射镜一侧的中继透镜的焦距大于另一中继透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的光投射装置，其中，所述第一反射镜是微电子机械系统镜。

3.根据权利要求1所述的光投射装置，其中，所述两个中继透镜均为双凸透镜。

4.根据权利要求1所述的光投射装置，其中，设置在所述第一反射镜一侧的中继透镜的焦距与另一中继透镜的焦距的比为2:1。

5.根据权利要求1所述的光投射装置，还包括：光学元件，用于将来自所述光源的光整形为平行光并且将所述平行光发射到所述第一反射镜。

6.根据权利要求1所述的光投射装置，还包括：第二反射镜，其能够绕着与所述第一反射镜的转动轴正交的轴转动，并且接收并反射通过所述两个中继透镜的光。

7.根据权利要求6所述的光投射装置，其中，所述第二反射镜是多角镜。

8.根据权利要求7所述的光投射装置，其中，所述第二反射镜具有正八边形形状，其外周表面被分别形成为面向与所述第二反射镜的转动轴的方向正交的方向的八个反射面。

Images