CN103576209B - 光学测量设备和运载工具 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光学测量设备，包括：第一光源；光学元件，聚集从第一光源发出的光束；光照射器，将光束照射到目标上；以及光电检测器，检测光束的从目标穿过成像系统的反射光或散射光，光束被照射到目标上，其中，从第一光源到通过光学元件形成的第一光源第一共轭象的第一光路长度与从光电检测器到通过成像系统形成的光电检测器第二共轭象的第二光路长度至少在第一方向上不同。

Description

光学测量设备和运载工具
技术领域
本发明涉及一种光学测量设备和安装该光学测量设备的运载工具。该光学测量设备检测目标是否存在，并测量从光学测量设备到该目标的距离。为了安全起见，该光学测量设备可用于工厂自动化(FA)，或者用于汽车用途。
背景技术
检测目标是否存在并测量到该目标的距离的光学测量设备是已知的。作为光学测量设备的示例，可以考虑下面的设备。即，该设备通过一旋转多面镜使光束偏转而利用该光束扫描预定测量场。该设备通过使用相同的旋转多面镜连续地改变视角而利用光电检测器接收由处于测量场中的被测目标反射的光，因此，该设备测量出到扫描点的距离(例如，专利文件1(日本未审查专利出版物No.H11-304469))。
在上述设备中，来自作为光源的半导体激光器的光束被光学元件(发射器透镜)转换为平行光。还描述了通过使用成像装置(接收器透镜)将光束收窄到位敏器材(PSD，一种光电检测器)上。尽管未明确描述，但是其暗示了该PSD布置在接收器透镜的焦距位置处。
即，在这些情况下，物点(光源或光电检测器)与透镜(发射器透镜或接收器透镜)之间的距离设定为透镜的焦距。该设定意味着能够在无限远处形成物点的共轭象。然而，在该情况下，在每个物点的角度空间(对于投射光学系统，作为光源的半导体激光器的发散角或发射器透镜的有效范围；对于接收光学系统，接收器透镜的有效范围)中，尤其在该设备附近，物点是模糊的，不能获得期望的分辨率。
需要一种光学测量设备，其在设备附近具有较高的角分辨率。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种光学测量设备，包括：
第一光源；
光学元件，构造成聚集从第一光源发射的光束；
光照射器，构造成将光束照射到目标上；以及
光电检测器，构造成检测所述光束的从目标穿过成像系统的反射光或散射光，所述光束被照射到目标上，
其中，从第一光源到通过光学元件形成的第一光源第一共轭象的第一光路长度与从光电检测器到通过成像系统形成的光电检测器第二共轭象的第二光路长度至少在第一方向上不同。
根据公开的技术，光学测量设备可设置成在设备附近具有较高角分辨率。
通过结合附图阅读下面的详细说明，能够更清楚地理解本发明的其它目的、特征和优点。
附图说明
图1A和1B是例示出根据一示例的光学测量设备的投射光学系统示意图；
图2A和2B是例示出根据该示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图；
图3是例示出当考虑光源的发光区域时，光源的照射区域的图；
图4A和4B是例示出当考虑光源的发光区域和耦合透镜的有效范围时，光源的照射区域的图；
图5是例示出根据该示例的光学测量设备的接收光学系统的细节的示意图；
图6A和6B是例示出根据一变型例的光学测量设备的投射光学系统的示意图；
图7A和7B是例示出根据该变型例的光学测量设备的接收光学系统的示意图；
图8A和8B是例示出根据另一示例的光学测量设备的投射光学系统的示意图；
图9A和9B是例示出根据另一示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图；
图10是例示出根据另一示例的光学测量设备的投射光学系统的示意图；
图11是例示出根据另一示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图；
图12是例示出根据另一示例的光学测量设备的投射光学系统的示意图；
图13是例示出根据另一示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图；以及
图14是示意性地示出将根据另一示例的光学测量设备安装在运载工具上的状态的图。
具体实施方式
下文中，参考附图解释本发明的实施例。在这些附图中，相应的元件可由相同的标号表示，并可省略重复解释。
在本应用中，光学测量设备包括例如向预定区域照射光线并基于反射光或散射光确定预定区域中是否存在目标的设备。而且，在本应用中，光学测量设备包括例如当确定了预定区域中存在一目标时，向该目标照射光线并基于反射光或散射光测量到该目标的距离的设备。
<示例>
图1A和1B是示出根据一示例的光学测量设备的投射光学系统的示意图。图1A示出在平行于XY-平面的方向上的横截面。图1B示出在平行于XZ-平面的方向上的横截面。图2A和2B是示出根据该示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图。图2A示出在平行于XY-平面的方向上的横截面。图2B示出在平行于XZ-平面的方向上的横截面。
参见图1A、1B、2A和2B，光学测量设备10包括光源11、耦合透镜12、反射镜13、旋镜14、反射镜15、成像透镜16和光电检测器17。在此，标号“100”表示目标的像面，其是检测目标。标号“110”表示检测区域。
在图1A、1B、2A和2B中，坐标轴定义成：从旋镜14向检测区域110中心的轴线定义为X轴；与旋镜14进行光束扫描的方向平行的轴线定义为Y轴；以及旋镜14的旋转轴线的方向定义为Z轴。该坐标轴限定出三维正交坐标系(在其它附图中，坐标轴以相同的方式定义)。旋镜14(偏转器)使光束偏转和扫描的方向可指代为“主扫描方向”，垂直于该主扫描方向的方向可指代为“副扫描方向”。
例如，对于光源11，可以使用固体光源，比如半导体激光器或发光二极管。在该示例中，半导体激光器用作光源11。在例示出使半导体激光器执行脉冲光发射的情况下进行了说明。
耦合透镜12布置在光源11的下游。耦合透镜12可包括多个光学元件的组合。耦合透镜12具有聚集从光源11发出的光束(发散光)的功能。在该示例中，在耦合透镜12的主扫描方向上的焦距和在耦合透镜12的副扫描方向上的焦距(表示为焦距f1)是相同的。
光源11的发光部分和耦合透镜12的第一主点之间的距离定义为L1。在该示例中，耦合透镜12的主平面与光轴以直角交叉的点定义为第一主点。光源11和耦合透镜12布置成在主扫描方向上，使距离L1等于耦合透镜12的焦距f1。
即，耦合透镜12布置成使第一主点与光源11的发光部分以等于焦距f1的距离间隔开(光源11和耦合透镜12布置成在无限远处形成光源的共轭象)。在本说明书中，“等于”不仅指的是严格相等的情况，而且指的是约等于不会损失本应用预定效果的程度的情况。
此外，在副扫描方向上，光源11和耦合透镜12布置成使光源11的发光部分和耦合透镜12的第一主点之间的距离L1等于耦合透镜12的焦距f1。即，耦合透镜12布置成使第一主点与光源11的发光部分以焦距f1间隔开(光源11和耦合透镜12布置成在无限远处形成光源11的共轭象)。
即，在该示例中，耦合透镜12布置成使从光源11发出的发散光变成大致平行光。实际上，由于光源11(半导体激光器)的发光区域的效果，穿过耦合透镜12的光变成发散光。随后详细描述这方面。
穿过耦合透镜12的光到达反射镜13，因此，光的光路被反射镜13改变。然后，光到达旋镜14。在XY-平面上，到达反射镜13的光与被反射镜13反射的光之间的角度差可设定为例如约60度。旋镜14包括至少两个反射器(反射表面)。每个反射器均相对于旋转轴14o倾斜地布置。反射器相对于旋转轴14o以相应的不同角度倾斜。耦合透镜12是根据本发明实施例的光学元件的典型示例。光源11和耦合透镜12是根据本发明实施例的光照射器的典型示例。旋镜14是根据本发明实施例的偏转器的典型示例。
在该示例中，旋镜14包括四个反射器14a、14b、14c和14d。相应的反射器14a、14b、14c和14d相对于旋转轴14o的倾角设定成不同的角度。在该构造的情况下，由旋镜14反射的光相对于XY-平面的行进方向可以转变。对于每个反射器14a、14b、14c和14d，待检测的一层可以在Z轴方向上移动。即，对于反射器14a、14b、14c和14d，相应的区域(沿Z轴方向的不同区域)被扫描。在该示例的情况下，能够检测四层。
通过旋转反射器14a、14b、14c和14d使到达旋镜14的光偏转和扫描，光照射像面100的检测区域110。来自像面100的检测区域110的反射光或散射光再次到达旋镜14。然后，反射光或散射光相继地被反射器14a、14b、14c和14d反射，反射光或散射光再次被反射镜15反射。接着，反射光或散射光到达成像透镜16。
成像透镜16具有使来自像面100的检测区域110的反射光或散射光形成图像的功能。在该示例中，在成像透镜16的主扫描方向上的焦距和在成像透镜16的副扫描方向上的焦距是相同的(表示为焦距f2)。成像透镜16是根据本发明实施例的成像光学系统的典型示例。而且，成像透镜16是根据本发明实施例的第一成像元件的典型示例。
来自像面100的检测区域110的穿过成像透镜16的反射光或散射光到达光电检测器17。光电检测器17具有检测穿过成像透镜16的反射光或散射光的功能。在此，反射光或散射光来自照射到像面100的检测区域110上的光束。例如，雪崩光电二极管(APD)或PIN型光电二极管(PD)可用作光电检测器17。在此，接收光学系统可由透镜和光电检测器构成，而不使用旋镜。
从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离定义为L2。在该示例中，成像透镜16的主平面和光轴以直角交叉的点定义为第二主点。光电检测器17和成像透镜16布置成在主扫描方向上，使距离L2变得比成像透镜16的焦距f2更大。即，成像透镜16布置成使成像透镜16的第二主点和光电检测器17的光接收部分之间的距离大于焦距f2。
此外，在副扫描方向上，光电检测器17和成像透镜16布置成使从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2大于成像透镜16的焦距f2。即，成像透镜16布置成使第二主点和光电检测器17的光接收部分之间的距离大于焦距f2。
即，在该示例中，如果假设光束从光电检测器17发出，那么成像透镜16布置成使该光束在预定位置处会聚。随后描述成像透镜16和光电检测器17的这种布置的技术含义。顺便说一句，在图2中，L3表示最小检测距离，其是到目标的最近检测距离，在该距离的情况下，光学测量设备10能够检测目标。
在此，详细描述了穿过耦合透镜12的光因光源11(半导体激光器)的发光区域的效果而变为发散光。图3是例示出当考虑光源的发光区域时，光源11的照射区域的图。
光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离为L1。第一主点是耦合透镜12的主平面12a(在图3中由箭头表示)和耦合透镜12的光轴以直角交叉的点。如上所述，在该示例中，光源11和耦合透镜12布置成在主扫描方向和在副扫描方向上，使距离L1等于耦合透镜12的焦距f1。
如图3所示，如果光源的发光区域11a的直径由“a”表示，假设仅考虑靠近轴线的区域，那么能够形成光源11的像的区域可表示为θ1=2×tan-1(a/2f1)。即，角度范围θ1是由光源11的发光区域11a照射的区域。如此，当考虑光源11的发光区域11a时，穿过耦合透镜12的光束发散。在该示例中，在其中检测目标的区域的角分辨率根据图3中所示的射束发散角定义。
在此，描述了来自光源11的光束被耦合透镜12转换为平行光的情况。对于光束被转换为发散光或会聚光的情况，必要的是，从光源11的发光部分到耦合透镜12的主平面12a的距离设定成与耦合透镜12的焦距f1不同。在该情况下，θ1可由一公式来表示，其中，耦合透镜12的焦距f1由从光源11的发光部分到第一主点的距离L1代替，在第一主点，耦合透镜12的主平面12a和耦合透镜12的光轴以直角交叉。
下面，解释考虑了耦合透镜的有效范围12b的情况。图4A和4B是例示出当考虑了光源的发光区域和耦合透镜的有效范围时，光源的照射区域的图。图4A示出光学测量设备的附近(耦合透镜12的附近)。图4B示出光学测量设备的远方区域(耦合透镜12的远方区域)。
当来自光源11的光束到达耦合透镜12的包括有效范围12b边缘部的有效范围12b时，离轴光线的效果变明显，尤其在光学测量设备的附近(耦合透镜12的附近)，如图4A所示。相应地，成像范围11x因图3所示的光源11的发光区域11a而变得比照射区域(在图4A和4B中由染色图案表示)更宽。即，θ2变得大于θ1，角分辨率扩展(变差)，如在图4A和4B中由中间粗线所示。
如图4B所示，离耦合透镜12越远，由光源的发光区域11a照射的区域就与成像范围11x越接近。照射区域和成像范围11x在无限远处重合。即，离耦合透镜12越远，θ2和θ1的值越接近(角分辨率接近)。在无限远处，θ2变得等于θ1，角分辨率完全重合。
如上所述，在图4A和4B中，考虑了耦合透镜12的有效范围12b。然而，当与光源11的发散角相比，耦合透镜12的有效范围12b足够更大时，光源11的离轴光线由发散角定义。在该情况下，类似地，角分辨率变差。
图5是例示出根据该示例的光学测量设备的接收光学系统细节的示意图。在图5中，标号16a表示成像透镜16的主平面，标号16b表示成像透镜16的有效范围，标号17x表示光电检测器17的成像范围，A表示焦平面。如果假设光束从光电检测器17发出，焦平面是包括光束会聚的预定点的平面。
在该示例中，光学测量设备附近(成像透镜16的附近)的角分辨率被接收光学系统的构造改进，使得当假设光电检测器17是物点时，光电检测器17的像由成像透镜16形成，如图5所示。
在其中能够检测目标的区域是光源11的像和光电检测器17的像重叠的区域。例如，即使区域位于光源的像内部，即，即使该区域位于由光源11照射的区域内部，如果该区域位于光电检测器17的像的外部，那么来自该区域的反射光也不被引导至光电检测器17。
而且，即使区域位于光电检测器17的像的内部，如果该区域位于光源的像的外部，那么该区域也不会被光源11照射到，并且光不会被该区域反射。在成像透镜16布置成当假设光电检测器17是物点时，光电检测器17的共轭象在无限远处形成的情况下，光电检测器17的像在光学测量设备附近(成像透镜16附近)发散，与投射光学系统的情况类似。即，在布置成当假设光束从光电检测器17发出时，光束变为平行光的情况下，光电检测器17的像在光学测量设备附近(成像透镜16附近)发散，与投射光学系统的情况类似。
然而，如图5所示，当光束在预定点处形成像时(即，当假设光束从光电检测器17发出时，光束在预定点处会聚)，光电检测器17在焦平面A上的成像范围17x与期望的分辨率一致。从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2调节成使光电检测器17的像在光学测量设备附近(成像透镜16附近)形成。然后，即使光源11的像发散，由于光电检测器17的像变窄，所以在其中光源11的像和光电检测器17的像重叠的区域可减小。相应地，角分辨率可变得更小，即角分辨率得到改进。
在该示例中，通过使在主扫描方向上(图1A、1B、2A和2B中的Y轴方向)和在副扫描方向上(图1A、1B、2A和2B中的Z轴方向)的构造均与图5的构造相同来改进在主扫描方向上的角分辨率和在副扫描方向上的角分辨率。然而，仅能使主扫描方向和副扫描方向中的构造之一与图5的构造相同。
即，在主扫描方向和副扫描方向中的至少一个方向(第一方向)上，该构造可以使得满足下面的第一和第二条件。第一条件是耦合透镜12的第一主点与光源11以等于耦合透镜12的焦距f1的距离间隔开。第二条件是成像透镜16的第二主点与光电检测器17以大于成像透镜16的焦距f2的距离间隔开。
在该示例中，通过使光电检测器17的像在最小检测距离L3处形成(通过将光电检测器17的共轭象的位置设定到最小检测距离L3的位置处)的构造，能够在检测距离的整个范围内维持角分辨率的平衡。然而，根据检测区域的精确度，光电检测器17的共轭象的位置可被设定到与最小检测距离L3的位置不同的位置处。
在根据相关领域的光学测量设备中，从光源到由光学元件形成的光源共轭象的光路长度以及从光电检测器到由成像光学系统形成的光电检测器共轭象的光路长度在主扫描方向和副扫描方向上均相同。即，如上所述，在根据相关领域的光学测量设备中，来自光源的光束被耦合透镜转换成平行光，光电检测器布置在成像光学系统的焦距位置处。在主扫描方向和副扫描方向两者上，物点(光源或光电检测器)和透镜(投射透镜或接收透镜)之间的距离设定成透镜的焦距。这意味着所述设定使得能够在无限远处形成物点的共轭象。
换言之，从光源到由光学元件形成的光源共轭象的光路长度以及从光电检测器到由成像光学系统形成的光电检测器共轭象的光路长度均是无限的。因此，特别在该设备的附近，物点的像是模糊的，不能获得期望的角分辨率。
然而，在光学测量设备10中，从光源到由光学元件形成的光源共轭象的光学距离以及从光电检测器到由成像光学系统形成的光电检测器共轭象的光学距离在主扫描方向和副扫描方向中的至少一个方向上是不同的。
更确切地说，耦合透镜12的第一主点布置在与光源11以等于耦合透镜12的焦距f1的距离间隔开的位置处。相应地(由于从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离L1等于耦合透镜12的焦距f1)，从光源11到由耦合透镜12形成的光源11共轭象的光路长度是无限的。
然而，成像透镜16的第二主点布置在与光电检测器17以大于成像透镜16的焦距f1的距离间隔开的位置处。即，成像透镜16和光电检测器17布置成使从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2大于成像透镜16的焦距f2。相应地，从光电检测器17到由成像透镜16形成的光电检测器17共轭象的光路长度是有限的，光电检测器17的像在光学测量设备附近(成像透镜16附近)形成。
在光学系统的这种构造情况下，当假设光电检测器17是物点时，成像透镜16将光转换为会聚光。即，光电检测器17的共轭象形成在比无限远位置更靠近光学测量设备10的位置处。因此，在光电检测器17的共轭象形成的位置处，光电检测器17的像不模糊。而且，由于在其中能够检测目标的区域由光源11的像和光电检测器17的像重叠的区域确定，所以能够改进角分辨率，即使在靠近光学测量设备10的位置处也如此。即，从靠近光学测量设备10的位置到远离光学测量设备10的位置均能够改进角分辨率。在此，光学测量设备10可应用于例如用于运载工具的激光雷达。
<变型例>
图6A和6B是例示出根据变型例的光学测量设备的投射光学系统的示意图。图6A示出平行于XY-平面的横截面。图6B示出平行于XZ-平面的横截面。图7A和7B是例示出根据变型例的光学测量设备的接收光学系统的图。图7A示出平行于XY-平面的横截面。图7B示出平行于XZ-平面的横截面。
在上述示例中，来自光源11的光束被转换为平行光，即，光源11的共轭象在无限远处形成，光电检测器17的共轭象在光学测量设备10附近形成。然而，如图6A、6B、7A和7B所示，通过将光源11的共轭象的位置设定在光学测量设备10A附近，以及将光电检测器17的共轭象的位置设定在无限远处，能够在光学测量设备10A附近和在与光学测量设备10A相距较远的区域中同时维持良好的角分辨率。
即，在根据变型例的光学测量设备10A中，耦合透镜12的第一主点布置在与光源11以大于耦合透镜12的焦距f1的距离间隔开的位置处。而且，成像透镜16的第二主点布置在与光电检测器17以等于成像透镜16的焦距f2的距离间隔开的位置处。
即，光源11和耦合透镜12布置成使从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离L1大于耦合透镜12的焦距f1。而且，成像透镜16和光电检测器17布置成使从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2等于成像透镜16的焦距f2。在这样的构造情况下，能够在光学测量设备10A附近和在与光学测量设备10A相距较远的区域中同时维持良好的角分辨率。
然而，如上所述示例，当光源的共轭象在无限远处形成，以及光电检测器17的共轭象在光学测量设备10附近形成时，光源11在遥远区域中的发散变得更小，照射目标的光束的光强密度变大。因此，上述示例的优选之处在于其更易于保证光的质量。
<另一示例>
具有多个光源11和21的光学测量设备20说明为另一示例。在该示例中，可省略对与上述示例相同的组成部件的说明。
图8A和8B是例示出根据该示例的光学测量设备20的投射光学系统的示意图。图8A示出平行于XY-平面的横截面。图8B示出平行于XZ-平面的横截面。在图8A和8B中，仅例示出从入射光学系统到旋镜14。
如图8A和8B所示，根据该示例的光学测量系统20与根据上述示例的光学测量系统10(比较图1A和1B)的不同之处在于，光学测量设备20包括多个光源11和21，以及光源11和光源21的发射角在XZ-平面中不同。
即，在光学测量设备20中，当从垂直于XZ平面的方向观看光源11和21时，光源11和21沿Z轴方向布置在相应的不同位置处。而且，当从垂直于XZ-平面的方向观看耦合透镜12和耦合透镜22时，耦合透镜12和耦合透镜22沿Z轴方向布置在相应的不同位置处。从光源11发出的发散光穿过耦合透镜12。从光源21发出的发散光穿过耦合透镜22。组合棱镜23将光线组合起来，组合光到达反射镜13。
在该构造的情况下，光源11和光源21扫描检测区域110的相应区域，这些区域在Z轴方向上是不同的。因此，能够检测目标，同时在Z轴方向上的检测区域分为两层。即，能够提供沿Z轴方向的检测分辨率。通过选择光源11和21以及耦合透镜12和22在Z轴方向上的适合布置，能够适当地调节由光源11和21照射的区域的角分辨率以及重叠程度。
图9A和9B是例示出根据该示例的光学测量设备20的接收光学系统的示意图。图9A示出平行于XY-平面的横截面。图9B示出平行于XZ-平面的横截面。在图9A和9B的示例中，有两个成像透镜16和26。成像透镜26是本发明实施例的第二成像元件的典型示例。
在此，从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离用L4表示。在该示例中，成像透镜16仅在主扫描方向上具有光功率。成像透镜16的主平面和光轴以直角交叉的点定义为第二主点。光电检测器17和成像透镜16在主扫描方向上布置成使距离L4大于成像透镜16的焦距f2。即，成像透镜16布置成使第二主点布置在与光电检测器17的光接收部分以大于焦距f2的距离间隔开的位置处。
而且，从光电检测器17的光接收部分到成像透镜26的第三主点的距离用L5表示。成像透镜26仅在副扫描方向上具有光功率。成像透镜26的主平面与光轴以直角交叉的点定义为第三主点。成像透镜26和光电检测器17布置成使距离L5等于成像透镜26的焦距f3。即，成像透镜26布置成使第三主点布置在与光电检测器17的光接收部分以等于焦距f3的距离间隔开的位置处。在此，焦距f2的值与焦距f3的值设定成使它们彼此不同。
在该构造的情况下，可容易地进行布置，使得在接收光学系统的主扫描方向上的焦距与在接收光学系统的副扫描方向上的焦距不同，在接收光学系统的主扫描方向上的主点与在接收光学系统的副扫描方向上的主点不同。可以进行各种修改，例如采用一种构造，其中，单个成像透镜的入射面仅在主扫描方向上具有光功率，该单个成像透镜的出射面仅在副扫描方向上具有光功率；或者采用变形表面，其在主扫描方向上的光功率与在副扫描方向上的不同。
在该示例中，在主扫描方向上的主点布置在与光电检测器17以大于主扫描方向上的焦距的距离间隔开的位置处，在副扫描方向上的主点布置在与光电检测器17以等于副扫描方向上的焦距的距离间隔开的位置处。该构造用于维持光电检测器17的像的副扫描方向上的区域较宽，使得能够覆盖多个光源的检测区域，同时改进光学测量设备附近的主扫描方向上的角分辨率。
如此，当光学测量设备包括多个光源(其可包括三个或更多光源)时，例如，可以扩大可检测区域，能够确保光的质量，以及能够提高检测速度。此时，如果通过具有约圆形形状的单个光电检测器17来执行检测，那么能够减少光电检测器17的成本。而且，通过根据主扫描方向和副扫描方向上的角分辨率来选择成像透镜的主扫描方向和副扫描方向上的焦距，能够自由地调整光电检测器17的尺寸。
<再一示例>
在上述示例中，例示出包括例如旋镜14的偏转器的扫描光学测量设备。在此，例示出不包括例如旋镜14的偏转器的非扫描型光学测量设备。在该示例中，可以省略对与上述示例相同的组成部件的说明。
图10是例示出根据该示例的光学测量设备的投射光学系统的示意图。图10示出平行于XY-平面的横截面。图11是例示出根据该示例的光学测量设备的接收光学系统的示意图。图11示出平行于XY-平面的横截面。在此，投射光学系统和接收光学系统是旋转对称系统。相应地，平行于XZ-平面的横截面与图10和11的相同。
如图10和11所示，光学测量设备30与根据上述示例的光学测量设备10(比较图1A、1B、2A和2B)的不同之处在于，光学测量设备30不包括反射镜13和15以及旋镜14，并且光电检测器17由光电检测器37代替。
从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离用L1表示。耦合透镜12的主平面和耦合透镜12的光轴以直角交叉的点定义为第一主点。在该示例中，光源11和耦合透镜12布置成使距离L1等于耦合透镜12的焦距f1。即，耦合透镜12布置成使第一主点布置在与光源11的发光部分以等于焦距f1的距离间隔开的位置处(光源11和耦合透镜12布置成在无限远处形成光源11的共轭象)。
在该示例中，耦合透镜12布置成使从光源11发出的发散光变成大致平行光。然而实际上，通过光源11(半导体激光器)的发光区域的效果，穿过耦合透镜12的光变成发散光。
穿过耦合透镜12的光实际上笔直地行进，光照射像面100的检测区域11。来自像面100的检测区域11的反射光或散射光到达成像透镜16，反射光或散射光穿过成像透镜16，并到达光电检测器37。
光电检测器37是例如多通道光电检测器，其中，多个光电检测器沿Y轴方向成一直线地布置。在该示例中，光电检测器37a、37b、37c、37d和37e沿Y轴方向成一直线地布置。例如，对于每个光电检测器37a、37b、37c、37d和37e，可以使用雪崩光电二极管(APD)或PIN型光电二极管(PD)。
在该示例中，使用具有多个光电检测器的多通道光电检测器37，使得非扫描型光学测量设备30能够检测反射光或散射光(在下文中，其指代为反射光等)，同时分割像面100的检测区域110。在扫描型光学测量设备10等中，光学系统是这样的，即相继扫描检测区域110的光的反射光等总会返回到光电检测器17的检测表面。光电检测器17通过施加时间分割法来检测相继扫描检测区域110的光的反射光等。
在光学测量设备30中，未执行扫描。因此，从光源11发出并穿过耦合透镜12的光立刻照射检测区域110。沿检测区域110的Y轴方向在相应不同区域反射的反射光束(或散射光束)返回到光电检测器37a-37e的相应不同检测表面。即，光电检测器37a-37e检测来自相应不同区域(通过沿Y轴方向分割检测区域110形成)的反射光束(或散射光束)。
在此，在光电检测器37中，沿Y轴方向成一直线布置的光电检测器的数量并不限于5个。光电检测器的数量可以多于5个，或者可以小于5个。当检测区域110变窄时，光电检测器37可以不是多通道光电检测器。与上述示例的情况类似，光电检测器37可以是单通道光电检测器。
而且，光电检测器还可沿Z轴方向布置，使得光电检测器沿水平方向和竖直方向布置在YZ-平面上。这使得如果布置一些光电检测器，那么通过分割所述区域能够检测立刻照射检测区域110的光的所有反射光等。例如，耦合透镜12的直径可以扩大，检测区域110可被具有大直径的平行光立刻照射。来自相应分割区域的反射光束或散射光束可被具有必要数量的光电检测器(形成光电检测器阵列)的多通道光电检测器检测到。
从光电检测器37的相应光电检测器的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离用L2表示。成像透镜16的主平面和成像透镜16的光轴以直角交叉的点定义为第二主点。光电检测器37和成像透镜16布置成使距离L2大于成像透镜16的焦距f2。即，成像透镜16布置成使第二主点与光电检测器37的光接收部分以大于焦距f2的距离间隔开。
在该示例中，成像透镜16布置成当假设光束从光电检测器37的相应光电检测器发出时，使光束在预定点处会聚。在图11中，L3表示最小检测距离，其是光学检测器30能够检测目标的最近距离。
与上述示例类似，光学系统的这种构造表明下面效果。即，当假设光电检测器37的光电检测器为相应物点时，光束被成像透镜16转换成会聚光。即，光电检测器37的光电检测器共轭象在比无限远更靠近光学测量设备的点处形成。因此，在光电检测器37的光电检测器共轭象形成的点处，光电检测器37的光电检测器的像不模糊。而且，由于在其中能够检测目标的区域由光源11的像以及光电检测器37的光电检测器的像重叠的区域确定，所以角分辨率得以改进，即使在靠近光学测量设备30的点处也如此。即，从靠近光学测量设备30的位置到远离光学测量设备30的位置均能够改进角分辨率。
光学测量设备30可例如用作用于运载工具的激光雷达。当光学测量设备30用作用于运载工具的激光雷达时，与包括例如旋镜14的可移动部件的光学测量设备10等相比，由于光学测量设备30不包括可移动的部件，例如旋镜14，所以能够获得高可靠性。
<变型例>
在此，例示出非扫描型光学测量设备，其与上述示例的不同。在该变型例中，可以省略对与上述示例相同的组成部件的说明。
图12是例示出根据该变型例的光学测量设备的投射光学系统的示意图。图12示出平行于XY-平面的横截面。图13是例示出根据该变型例的光学测量设备的接收光学系统的示意图。图13示出平行于XY-平面的横截面。在此，投射光学系统和接收光学系统是旋转对称系统。相应地，平行于XZ-平面的横截面与图12和13的相同。
在根据上述示例的光学测量设备30(比较图10和11)中，来自光源11的光束被转换为平行光，即，光源11的共轭象在无限远处形成。在根据该变型例的光学测量设备30A中，耦合透镜12的第一主点布置在与光源11以小于耦合透镜12的焦距f1的距离间隔开的位置处。
即，光源11和耦合透镜12布置成使从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离L1小于耦合透镜12的焦距f1。在此，接收光学系统与根据上述示例的光学测量设备30的接收光学系统相同。
通过光学系统的这种构造，从光源11发出并穿过耦合透镜12的光被转换为发散光，该发散光立刻照射检测区域110。通过将穿过耦合透镜12的光转换为发散光，能够扩大被立刻照射的检测区域110。
由于光电检测器37a-37e检测来自相应不同区域(通过沿Y轴方向分割检测区域110形成)的反射光束等，所以当扩大被立刻照射的检测区域110时不存在问题。即，如图13所示，来自区域110a(通过沿Y轴方向分割检测区域110形成)的反射光等穿过由虚线表示的光路，反射光等被光电检测器37a检测到。而且，来自区域110c(通过沿Y轴方向分割检测区域110形成)的反射光等穿过由实线表示的光路，反射光等被光电检测器37c检测到。
类似地，来自其它区域(未示出)(通过沿Y轴方向分割检测区域110形成)的反射光束等被相应的光学检测器37b、37d和37e检测到。此时，当被邻近光电检测器检测到的区域部分重叠时不存在问题。在该示例中，由于扩大了被立刻照射的检测区域110，所以可根据需要增加沿Y轴方向成一直线布置的光电检测器的数量。
在其中能够检测目标的区域由光源11的像和包含在光电检测器37中的一个光电检测器的像重叠的区域确定。因此，即使扩大了被立刻照射的检测区域110，当从光电检测器37的各光电检测器的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2大于成像透镜16的焦距f2时，这仍能满足。如此，与上述示例的情况类似，从靠近光学测量设备30A的位置到远离光学测量设备30A的位置均能够改进角分辨率。
<另一变型例>
与光学测量设备10的情况类似，可以修改光学测量设备30。即，通过在光学测量设备附近形成光源11的共轭象，并且通过在无限远处形成光电检测器37的共轭象，能够在光学测量设备附近和光学测量设备的远方区域中同时维持良好的角分辨率。
确切地说，在图10中，耦合透镜12的第一主点布置在与光源11以大于耦合透镜12的焦距f1的距离间隔开的位置处。此外，在图11中，成像透镜16的第二主点布置在与光电检测器37以等于成像透镜16的焦距f2的距离间隔开的位置处。
即，光源11和耦合透镜12布置成使从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离L1大于耦合透镜12的焦距f1。而且，成像透镜16和光电检测器37布置成使从光电检测器37的光电检测器的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2等于成像透镜的焦距f2。在该构造的情况下，与光学测量设备10的情况类似，能够在光学测量设备附近和在光学测量设备的远方区域中同时维持良好的角分辨率。然而，检测区域110变得比光学测量设备30的更小。
而且，与光学测量设备20类似，可以修改光学测量设备30。即，与图8A和8B的情况类似，光学测量设备30可包括多个光源(光源11和21)，光源11和光源21可布置成在XZ-平面上使从光源11发出的光的角度与从光源21发出的光的角度不同(当从垂直于XZ-平面的方向观看时，光源11和光源21布置在不同位置处)。
然而，由于旋镜14和反射镜13不是必要的，从光源11发出的发散光和从光源21发出的发散光分别通过耦合透镜12和耦合透镜22由组合棱镜23组合，组合光实际上笔直地行进，组合光照射像面100的检测区域110。在该构造的情况下，能够沿Z轴方向扩大检测区域。而且，在光电检测器37中，光电检测器还可沿Z轴方向布置，使得光电检测器在YZ-平面上沿竖直方向和水平方向布置。
而且，成像透镜可以是单个透镜(仅成像透镜16)。或者，与图9A和9B的情况类似，成像透镜可包括两个透镜(成像透镜16和26)。
例如，成像透镜16可以是仅在Y轴方向(水平方向)上具有光功率的透镜。第二主点定义为成像透镜16的主平面和成像透镜16的光轴以直角交叉的点。光电检测器37和成像透镜16布置成在Y轴方向(水平方向)上使距离L4大于成像透镜的焦距f2。即，成像透镜16布置成使第二主点布置在与光电检测器37的光接收部分以大于焦距f2的距离间隔开的位置处。
而且，成像透镜26可以是仅在Z轴方向(竖直方向)上具有光功率的透镜。第三主点定义为成像透镜26的主平面与成像透镜26的光轴以直角交叉的点。成像透镜26和光电检测器37布置成在Z轴方向(竖直方向)上使距离L5等于成像透镜26的焦距f3。即，成像透镜26布置成使第三主点布置在与光电检测器37的光电检测器的光接收部分以等于焦距f3的距离间隔开的位置处。在此，焦距f2和焦距f3的值设定成不同值。
在这种构造的情况下，可容易地进行布置，使得在接收光学系统的Y轴方向(水平方向)上的焦距与在接收光学系统的Z轴方向(竖直方向)上的焦距不同，在接收光学系统的Y轴方向(水平方向)上的主点与在接收光学系统的Z轴方向(竖直方向)上的主点不同。可以进行各种修改，例如采用一种构造，其中，单个成像透镜的入射面仅在Y轴方向(水平方向)上具有光功率，单个成像透镜的出射面仅在Z轴方向(竖直方向)上具有光功率；或者采用变形表面，其在Y轴方向(水平方向)上的光功率与在Z轴方向(竖直方向)上的不同。
例如，在Y轴方向(水平方向)上的主点布置在与光电检测器37以大于Y轴方向(水平方向)上的焦距的距离间隔开的位置处，在Z轴方向(竖直方向)上的主点布置在与光电检测器37以等于Z轴方向(竖直方向)上的焦距的距离间隔开的位置处。在该构造的情况下，能够沿Y轴方向(水平方向)改进光学测量设备附近的角分辨率，同时维持光电检测器37的像的Z轴方向(竖直方向)上的区域较宽，使得能够覆盖多个光源的检测区域。
如此，对于非扫描型光学测量设备的情况，与扫描光学测量设备的情况类似，当光学测量设备包括多个光源(其可包括三个或更多光源)时，能够扩大可检测区域，能够确保光的质量，以及能够提高检测速度。而且，通过根据Y轴方向(水平方向)和Z轴方向(竖直方向)上的角分辨率来选择成像透镜的Y轴方向(水平方向)和Z轴方向(竖直方向)上的焦距，能够自由地调整光电检测器37的尺寸。
<又一示例>
在此，解释光学测量设备30用作用于运载工具的激光雷达的示例。在该示例中，可以省略对与上述示例相同的组成部件的说明。
图14是示意性地示出光学测量设备30安装在运载工具上的状态的图。参见图14，光学测量设备30安装在运载工具200上。光学测量设备30是所谓的“激光雷达”。
光学测量设备30的构造使得光学测量设备30能够给控制器210传送信号，并从控制器210接收信号，控制器安装在运载工具200上。控制器210包括例如CPU、ROM和主存储器。当存储在ROM等中的相应程序读进主存储器中，并且CPU执行相应程序时，能够实现控制器210的每个功能。可仅通过硬件实现控制器210的一部分或整个控制器210。而且，控制器210可由多个器件以物理方式构成。
响应于来自控制器210的指令，光学测量设备30的光源11发出光，光照射到运载工具外部(例如，经由运载工具200的挡风玻璃到运载工具200的前方)。如果目标存在于运载工具200的前方，该目标是例如另一运载工具或障碍物的检测对象，那么目标的像面100的检测区域110被照射，来自检测区域110的反射光或散射光穿过例如运载工具200的挡风玻璃被光学测量设备30的光电检测器37检测到。
被光电检测器37检测的光学信号被例如光电地转换并传送到控制器210。控制器210对从光电检测器37传送的信号施加预定的信号处理。如此，控制器210能够确定在运载工具200外部(例如，在运载工具200前方)是否存在目标。而且，当目标存在时，控制器210能够计算出到目标的距离和目标的相对速度。
如上所述，光学测量设备30可用作用于运载工具的激光雷达。由于从靠近运载工具200的位置到远离运载工具200的位置，光学测量设备30的角分辨率均是良好的，所以光学测量设备30能够以高精度检测目标。因此，光学测量设备30能够稳定地获得与目标有关的信息(例如，目标存在与否、到目标的距离或目标的相对速度)。当光学测量设备10、10A、20或30A安装在运载工具200上代替光学测量设备30时，能够以高精度检测目标，能够稳定地获得与目标有关的信息。
在此，不需要光学测量设备30在运载工具200前方发光。例如，光学测量设备30可向后或侧向地发光，因此，光学测量设备30可在向后方向上或侧向方向上获得与目标有关的信息。该信息可用于避免碰撞。而且，运载工具不限于汽车，其可包括例如摩托车或火车。
本发明不限于确切公开的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行变化和修改。
例如，在第一和第二示例及它们的变型例中，下面描述的第一和第二条件可在主扫描方向和副扫描方向中的至少一个方向上得到满足。第一条件是将光源11和耦合透镜12布置成使从光源11的发光部分到耦合透镜12的第一主点的距离L1大于耦合透镜12的焦距f1。第二条件是将光电检测器17和成像透镜16布置成使从光电检测器17的光接收部分到成像透镜16的第二主点的距离L2大于成像透镜16的焦距f2。在该情况下，表明了与所述示例类似的效果。
而且，上述示例及它们的变型例可适当地组合。例如，对于仅有一个光源的情况，成像透镜的焦距可根据方向而具有不同值。
而且，最后示例仅示出使用光学测量设备的方式的一个示例。即，根据上述示例或变型例的光学测量设备的用途不限于汽车用途。光学测量设备还可用作这样的设备，其用于检测目标是否存在，并计算出光学测量设备和目标之间的距离，其为了安全起见可用于例如工厂自动化(FA)。
本应用基于并要求于2012年8月6日提交的No.2012-174182以及2013年7月1日提交的No.2013-138306日本在先申请的优先权，在此将其全部内容作为引用并入本文中。

Claims (9)

1.一种光学测量设备，包括：
第一光源；
光学元件，构造成聚集从所述第一光源发出的光束；
光照射器，构造成将所述光束照射到目标上；
光电检测器，构造成检测所述光束的从所述目标穿过成像系统的反射光或散射光，所述光束照射到所述目标上；以及
偏转器，构造成使穿过所述光学元件的所述光束偏转和扫描，其中所述偏转器布置在所述照射器的下游，
其中，当所述偏转器偏转和扫描的方向是主扫描方向时，并且当垂直于所述主扫描方向的方向是副扫描方向时，从所述第一光源到通过所述光学元件形成的第一光源的第一共轭象的第一光路长度与从所述光电检测器到通过所述成像系统形成的光电检测器的第二共轭象的第二光路长度至少在所述主扫描方向和所述副扫描方向中的一个上不同。
2.一种光学测量设备，包括：
第一光源；
光学元件，构造成聚集从所述第一光源发出的光束；
光照射器，构造成将所述光束照射到目标上；以及
光电检测器，构造成检测所述光束的从所述目标穿过成像系统的反射光或散射光，所述光束照射到所述目标上，
其中，所述光学元件具有第一主点和第一焦距，其中所述第一主点布置在与所述第一光源以所述第一焦距间隔开的第一位置处，
其中，所述成像系统至少在所述光学元件具有第一主点和第一焦距的方向上包括具有第二主点和第二焦距的第一成像元件，其中所述第二主点布置在与所述光电检测器以大于所述第二焦距的距离间隔开的第二位置处，并且
其中，从所述第一光源到通过所述光学元件形成的第一光源的第一共轭象的第一光路长度与从所述光电检测器到通过所述成像系统形成的光电检测器的第二共轭象的第二光路长度至少在所述光学元件具有第一主点和第一焦距的方向上不同。
3.如权利要求2所述的光学测量设备，
其中，所述第一光源包括多个第二光源，来自相应第二光源的第二光束照射所述目标的不同区域，
所述成像系统包括在与所述光学元件具有第一主点和第一焦距的方向不同的方向上具有第三主点和第三焦距的第二成像元件，并且
所述第二焦距与所述第三焦距不同。
4.如权利要求3所述的光学测量设备，
所述第三主点布置在与所述光电检测器以所述第三焦距间隔开的第三位置处。
5.如权利要求1或2所述的光学测量设备，
其中，当所述光学测量设备的最近检测距离是最小检测距离时，所述光电检测器的第二共轭象的第四位置是与所述光学测量设备以最小检测距离间隔开的点。
6.如权利要求3所述的光学测量设备，
其中，当所述光学测量设备的最近检测距离是最小检测距离时，所述光电检测器的第二共轭象的第四位置是与所述光学测量设备以最小检测距离间隔开的点。
7.如权利要求4所述的光学测量设备，
其中，当所述光学测量设备的最近检测距离是最小检测距离时，所述光电检测器的第二共轭象的第四位置是与所述光学测量设备以最小检测距离间隔开的点。
8.一种包括如权利要求1-7任一项所述的光学测量设备的运载工具。
9.如权利要求8所述的运载工具，
其中，所述光学测量设备的照射器向所述运载工具的外部照射光，
所述光电检测器检测所述光的反射光或散射光，并且
所述光学测量设备构造成根据被所述光电检测器检测到的信号而获得来自所述运载工具外部的目标的信息。
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