CN111630408A - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

光检测模块(2)投光沿着扫描方向扫描的光束，并且接受从扫描范围射入的光。光检测模块配置为扫描的中心亦即扫描中心与沿着扫描方向的光学窗(200)的中心亦即窗中心在扫描方向上的位置互不相同。光学窗以面对壳体的外侧的外侧面和面对壳体的内侧的内侧面中的至少一者作为对象面，沿着扫描面的对象面的断面形状具有相对于窗中心不对称的形状，上述扫描面包括从光检测模块投光的光束的扫描方向和投光方向。

Description

激光雷达装置
技术领域
本国际申请主张基于2018年1月24日在日本专利厅申请的日本专利申请第2018-009655号的优先权，并通过参照将日本专利申请第2018-009655号的全部内容引用于本国际申请。
本公开涉及具备光偏转设备的激光雷达装置。
背景技术
在激光雷达装置中，作为使光偏转而实现扫描的光偏转设备的一种，使用旋转驱动的偏转镜。此外，激光雷达也记载为LIDAR，是Light Detection and Ranging(光检测和修正模块)的简称。
在这种装置中具有壳体，在使从壳体的内部向外部射出的光和从壳体的外部向内部入射的光通过的壳体的开口部处，设置有使光透过的光学窗。而且，在受光透镜的直径和与其组合的曲面状透镜罩(即，光学窗)的直径近似的情况下，例如使成像性能劣化等，光学窗对受光透镜给予影响。
专利文献1记载有以下技术，以能够避免对这样的光学窗的受光透镜的影响的方式适当地设定光学窗的曲率或厚度或者直至受光透镜为止的距离等。
专利文献1:日本特许第5621165号公报
然而，作为发明人的详细的研究的结果，在专利文献1记载的以往技术中发现以下的课题。
即，在以往技术中，扫描中心位于穿过光学窗中心的中心轴线上为前提，光学窗具有相对于中心轴线对称的形状。因此，在扫描中心不在光学窗的中心轴线上的情况下，在任意的测定方向上成像性能劣化，故而，无法应用以往技术。此外，在使用进行旋转运动的偏转镜进行扫描的情况下，扫描中心位于旋转运动的中心轴线。
发明内容
本公开的一个方面在于提供抑制由于扫描的中心相对于光学窗的中心轴线偏离存在而产生的对光学窗的影响的技术。
本公开的一方式的激光雷达装置具备光检测模块和光学窗。
光检测模块投光沿着预先设定的扫描方向扫描的光束，并且接受从扫描范围射入的光。光学窗在收纳光检测模块的壳体的开口部设置，并具有朝向壳体的外侧突出的曲面形状，且使通过上述光检测模块而投光和受光的光束透过。此外，光检测模块配置为扫描的中心亦即扫描中心与沿着扫描方向的光学窗的中心亦即窗中心在扫描方向上的位置互不相同。光学窗以面对壳体的外侧的外侧面和面对壳体的内侧的内侧面中的至少一者作为对象面，对象面的沿着扫描面的截面形状具有相对于窗中心不对称的形状，上述扫描面包括从上述光检测模块投光的光束的扫描方向和投光方向。
根据这样的结构，即便扫描方向上的扫描中心和窗中心的位置不同，也能够通过使光学窗的形状沿着扫描方向而不对称，从而使对透过光学窗上的不同位置的各个光束的光学特性的影响大致相同。
附图说明
图1是表示激光雷达装置的外观的立体图。
图2是表示在激光雷达装置的壳体内收纳的光检测模块的结构的立体图。
图3是将使光检测模块的结构部件成为一体的框架的局部除去而示出的光检测模块的主视图。
图4是将激光雷达装置的壳体除去而示出的俯视图。
图5是表示投光时的光的路径和投光折回镜相对于光的路径的配置的说明图。
图6是表示受光时的光束的路径的说明图。
图7是表示用于光学窗的设计的设计参数的说明图，且示出针对以窗中心将光学窗2分割的区域中每一个使设计参数变化的情况。
图8是表示用于光学窗的评价的评价参数的说明图。
图9是表示使光学窗的外侧面的曲率半径恒定，使内侧面的曲率半径变化而通过模拟计算出评价参数的结果的坐标图。
图10是表示使光学窗的内侧面的曲率半径恒定，使外侧面的曲率半径变化而通过模拟计算出评价参数的结果的坐标图。
图11是用于光学窗的设计的设计参数的说明图，且示出按将光学窗3分割的区域的每一个使设计参数变化的情况。
图12是表示使光学窗的外侧面的曲率半径恒定，针对相对于窗中心偏离的地点将区域2分割的情况和将区域3分割的情况，使内侧面的曲率半径按每个区域变化，通过模拟计算出评价参数的结果的坐标图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。
[1.结构]
图1所示的本实施方式的激光雷达装置1搭载于车辆而使用，并用于存在于车辆周围的各种物体的检测等。激光雷达也记载为LIDAR。LIDAR是Light Detection and Ranging的简称。
如图1所示，激光雷达装置1具备壳体100和光学窗200。
壳体100是形成为一个面开口的长方体状的树脂制的箱体，且收纳有后述的光检测模块2。
光学窗200是以覆盖壳体100的开口部的方式固定于壳体100，且使从设置于壳体100的内部的光检测模块2照射的激光透过的树脂性的盖体。
以下，沿着壳体100的具有大致长方形的开口部的长边方向的方向作为X轴方向，将沿着开口部的短边方向的方向作为Y轴方向，将与X-Y平面正交的方向作为Z轴方向。此外，从壳体100的开口部侧观察来定义X轴方向上的左右和Y轴方向上的上下。另外，对于Z轴方向上的前后而言，将壳体100的开口部侧定义为前，将进深侧定义为后。
[2.光检测模块]
如图2～图4所示，光检测模块2具备投光部10、扫描部20、受光部30。光检测模块2经由框架40而组装于壳体100。
[2-1.扫描部]
扫描部20具备镜模块21、分隔板22、马达23。
镜模块21是使光反射的一对偏转镜211、212安装于两个面的平板状的构件。
镜模块21具有使长边方向的宽度不同的两个长方形一体化而成的形状。具体而言，具有使两个长方形以使沿着短边方向的中心轴线对齐的方式沿着该中心轴线排列所一体化而成的形状。以下，将镜模块21中的长边方向窄的长方形的部位称为窄幅部，将长边方向宽的长方形的部位称为宽幅部。
镜模块21使宽幅部在下侧的方式立设在马达23上，追随马达23的驱动，进行以镜模块21的中心轴线为中心的旋转运动。以下，将镜模块21的中心轴线的位置称为扫描中心。
分隔板22是具有与镜模块21的宽幅部的长边方向的宽度相同的直径的圆形并且板状的构件。分隔板22分割为半圆状的两个部位，并在从两侧夹着镜模块21的窄幅部的状态下且是与镜模块21的宽幅部和窄幅部之间的台阶部分抵接的状态下固定。
以下，在镜模块21中，将比分隔板22靠上侧的部位即窄幅部侧的部位称为投光偏转部20a，将比分隔板22靠下侧的部位即宽幅部侧的部位称为受光偏转部20b。
[2-2.发光部]
投光部10具备一对光源11、12。也可以是，投光部10具备一对投光透镜13、14和投光折回镜15。
以下，在投光偏转部20a处，将供来自一对光源11、12的光束入射的点称为反射点。反射点设定于扫描中心附近。另外，将与镜模块21的旋转轴线正交且包含反射点的面称为基准面。
光源11、12均使用半导体激光器。
光源11以使发光面朝向投光偏转部20a的状态配置于沿着X轴从反射点向左侧离开的位置。光源12以使发光面朝向Z轴的前侧的状态配置于沿着Z轴从由反射点至光源11的路径的中心附近的折回点向后侧离开的位置。其中，对于一对光源11、12的Y轴方向的位置亦即纵位置而言，光源11设定于比基准面低的位置，光源12配置于比基准面高的位置。换句话说，一对光源11、12配置为纵位置不同。
投光透镜13是与光源11的发光面对置配置的透镜。同样，投光透镜14是与光源12的发光面对置配置的透镜。
投光折回镜15配置于上述的折回点，并配置为使从光源12输出并透过了投光透镜14的光反射并向反射点引导。如图5所示，投光折回镜15为了不遮挡从光源11输出并透过投光透镜13而朝向反射点的光的路径，配置于比该路径靠上侧处。另外，设定为从光源11至反射点的光的路径与从光源12经由投光折回镜15至反射点的光的路径成为相同的长度。
[2-3.受光部]
如图2～图4所示，受光部30具备受光元件31。也可以是，受光部30具备受光透镜32和受光折回镜33。
受光元件31配置于受光折回镜33的下部。此外，在图3中，为了容易观察各部分的配置方式，省略框架40的局部。如图6所示，受光元件31具有将多个APD配置为1列而得的APD阵列311。APD是雪崩光电二极管。受光元件31配置为使受光面朝向沿着Y轴的上侧，且使APD阵列311的APD的排列方向与X轴方向一致。
返回图2～图4，受光折回镜33相对于受光偏转部20b沿着X轴而在左侧配置，且为了使从受光偏转部20b起经由受光透镜32而入射的光到达受光元件31而配置为使光的路径向Z轴方向的下侧大致以90°弯曲。
受光透镜32是配置于受光偏转部20b与受光折回镜33之间的透镜。受光透镜32使向受光元件31入射的光束的沿着Z轴方向的束径收敛成为APD的元件宽度程度。
[2-4.框架]
框架40是用于通过将投光部10、扫描部20和受光部30具有的各部件组装为1体而在这些部件的配置确定的状态下组装于壳体100内的构件。
如图2～图4所示，框架40具有框架下部41、框架侧面部42、框架背面部43、分隔部44。
在框架下部41上，从其下侧安装有组装有受光元件31的受光基板51和组装有扫描部20的马达基板52。因此，在框架下部41上，且在成为从受光折回镜33至受光元件31的光的路径的部位和扫描部20的配置马达23的部位设置有孔。另外，在安装于框架下部41的受光基板51和马达基板52中，组装有受光元件31和马达23的各安装面成为大致相同的平面。
在框架侧面部42，以与扫描部20对置这侧的面作为表面，在该表面突设有圆筒状的支架421。在支架421的表面侧端(即X轴方向的右侧端)以堵塞该开口部的方式组装有投光透镜13。另外，在框架侧面部42的背面安装有组装有光源11的发光基板53。若在框架侧面部42安装有发光基板53，则光源11位于支架421的下表面侧端(即X轴方向的左侧端)。
与框架侧面部42相同，在框架背面部43上，突设有支架431，在支架431的表面侧端(即Z轴方向的前侧端)组装有投光透镜14。另外，在框架背面部43的背面安装有组装有光源12的发光基板54。若在框架背面部43安装有发光基板54，则光源12位于支架431的下表面侧端(即Z轴方向的后侧端)。
分隔部44在对配置有属于投光部10的各部件的空间和配置有属于受光部30的各部件的空间进行分隔的位置设置。在分隔部44组装有投光折回镜15、受光折回镜33、受光透镜32。
此外，受光基板51和一对发光基板53、54分别通过螺纹固定而安装于框架40。换句话说，构成为通过利用螺纹件调整受光基板51的安装位置和角度中的至少一者，从而能够三维调整受光元件31的安装位置和角度中的至少一者。同样，构成为通过利用螺纹件调整一对发光基板53、54的安装位置和角度中的至少一者，从而能够三维微调一对光源11、12的安装位置和角度中的至少一者。
此处，支架421、431一体地设置有框架侧面部42和框架背面部43，但这些也可以与发光基板53、54一体设置。
另外，如图4所示，对于通过框架40一体化的光检测模块2而言，光检测模块2的扫描中心轴线As配置于相对于光学窗200的窗中心轴线Ac向沿着X轴的右方向以规定距离偏离的位置。此外，光学窗200的窗中心轴线Ac是指穿过光学窗200的在X轴方向上的中心亦即窗中心的沿着Z轴方向的轴线。换句话说，窗中心轴线Ac表示扫描方向上的窗中心的位置。另外，光检测模块2的扫描中心轴线As是指穿过镜模块21的旋转轴线即扫描中心的沿着Z轴方向的轴线。此外，在从激光雷达装置1的外部观察时，扫描中心成为由激光雷达装置1扫描的光的表观上的产生点。
[2-5.光检测模块的动作]
如图5所示，从光源11输出的光经由投光透镜13向投光偏转部20a上入射。另外，从光源12输出的光在透过了投光透镜14后，通过投光折回镜15行进方向弯曲大致90°而向投光偏转部20a上入射。其中，光源11和光源12使用投光偏转部20a的不同面。入射至投光偏转部20a的光朝向与镜模块21的旋转位置对应的方向射出。经由镜模块21而照射光的范围是扫描范围。例如，将以沿着Z轴的前方向作为0度而±60°的范围作为扫描范围。
如图6所示，来自位于与镜模块21的旋转位置对应的规定方向的被检物的反射光(以下，射入光)由受光偏转部20b反射，经由受光透镜32和受光折回镜33而由受光元件31接受。此外，与镜模块21的旋转位置对应的规定方向是来自投光偏转部20a的光的射出方向。
换句话说，在激光雷达装置1中，通过镜模块21的旋转而以机械结构实现沿着X轴方向的水平方向的扫描(以下，主扫描)。
[3.光学窗]
如图7所示，对于光学窗200而言，沿着包括从光检测模块2投光的光束的扫描方向和投光方向的扫描面的截面形状具有朝向壳体100的外侧突出的曲面形状，例如设定为以窗中心轴线Ac为边界而左右不对称的形状。以下，在安装于壳体100的状态的光学窗200中，将朝向壳体100的外侧的面称为外侧面，将朝向壳体100的内侧的面称为内侧面。另外，在X轴方向上从窗中心轴线Ac观察时，将扫描中心(即扫描中心轴线As)存在的一侧称为负侧，将其相反一侧称为正侧。将窗中心轴线Ac与扫描中心轴线As之间的距离设为D1。
在光学窗200的内侧面中，将负侧的曲率半径设为R1，将正侧的曲率半径设为R4，在光学窗200的外侧面中，将负侧的曲率半径设为R2，将正侧的曲率半径设为R3。其中，具有曲率半径R1～R4的4个部位的曲率中心均共用。
这些曲率半径R1～R4能够如以下(1)～(3)那样设定。
R1≠R4∩R2＝R3 (1)
R1＝R4∩R2≠R3 (2)
R1≠R4∩R2≠R3 (3)
换句话说，(1)是使光学窗200的内侧面的曲率半径(以下，内侧曲率半径)R1、R4不同，使外侧面的曲率半径(以下，外侧曲率半径)R2、R3恒定的情况。(2)是使光学窗200的内侧曲率半径R1、R4恒定，使外侧曲率半径R2、R3不同的情况。(3)是使光学窗200的内侧曲率半径R1、R2和外侧曲率半径R2、R3均不同的情况。以下，曲率半径R1～R4相当于设计参数。
曲率半径R1～R4例如按以下的程序设定。首先，设定曲率半径R1～R4的组合模式。针对各个组合模式，在扫描范围内的多个角度方向上，进行判定参数的计测或者基于模拟的计算。如图8所示，此处使用的判定参数中包括向受光元件31的APD阵列311入射的受光束的位置亦即束位置Bp和束径Bw中的至少一者。此外，受光束，是使由镜模块21反射并透过光学窗200而射出，且在目标反射后从其射出方向射入，透过光学窗200而沿着规定的光路向APD阵列311入射的光束。束位置Bp，是将相对于APD阵列311的排列方向正交的方向的束径的中心位置以属于APD阵列311的各元件的中心位置作为基准而表示出来的。作为判定参数，也可以使用对束位置Bp加上或减去束半径Bw/2而得到的值中的绝对值相对大的值亦即束外缘位置Bo。作为扫描范围内的多个角度方向，例如也可以使用±60°的范围内的以每次15°不同的角度方向。
而且，束外缘位置Bo选择满足外缘允许条件的曲率半径R1～R4的组合模式中的遍及扫描范围内全域变动最小的组合模式。此外，外缘允许条件是指例如束外缘位置Bp的绝对值小于设定为APD的元件宽度Ew的一半以下的值的上限值，即受光束没有从APD伸出。
[4.设计例]
图9表示使光学窗200的外侧曲率半径R2、R3恒定，使内侧曲率半径R1、R4变化，通过模拟计算出束位置Bp、束径Bw、束外缘位置Bo的结果。此外，光学窗200的外侧曲率半径成为R2＝R3＝200mm，内侧曲率半径R1、R4在180mm～200mm的范围内以每次2mm变化。另外，窗中心轴线Ac与扫描中心轴线As之间的距离为D1＝17mm，APD的元件宽度为Ew＝0.45mm。换句话说，若束外侧位置Bo的绝对值超过0.225mm，则受光束的至少局部向从APD偏离的场所入射。另外，此处，针对属于APD阵列311的各元件CH1～CH12中的位于中心附近的CH6进行了计算。
图9中，可知的是，在负侧的内侧曲率半径为R1＝190mm、正侧的内侧曲率半径为R4＝194mm的情况下，有效地抑制由光学窗200引起的受光束的不一致。
图10表示使光学窗200的内侧曲率半径R1、R4恒定，使外侧曲率半径R2、R3变化，通过模拟计算出束位置Bp、束径Bw、束外缘位置Bo的结果。此外，光学窗200的内侧曲率半径为R1＝R4＝190mm，外侧曲率半径R2、R3在190mm～210mm的范围中以每次2mm变化。
图10中，可知在负侧的外侧曲率半径为R2＝200mm、正侧的内侧曲率半径为R3＝198mm的情况下，可有效地抑制由光学窗200引起的受光束的不一致。
[5.效果]
根据以上详述的本实施方式，起到以下的效果。
(5a)在激光雷达装置1中，光学窗200具有相对于窗中心不对称的形状。因此，能够抑制基于扫描中心处于从窗中心轴线Ac离开的位置，由于扫描角度的不同而出现于透过光学窗200的光束的光学窗的影响的不一致。
(5b)在激光雷达装置1中，光学窗200的形状由曲率半径决定，因此能够容易进行光学窗200的设计、制造。
(5c)在激光雷达装置1中，在使光学窗200的外侧面的形状恒定、仅使内侧面的形状变化的情况下，能够不有损具有对称性的装置的外观地实现上述效果。
[6.其他实施方式]
以上，对本公开的实施方式进行了说明，但本公开不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形而实施。
(6a)在上述实施方式中，将光学窗200以窗中心作为边界而分为两个区域，针对各区域设定为曲率半径R1～R4不同，但不一定需要以窗中心作为边界进行区域划分，另外，区域的数量也可以是三个以上。
例如，如图11所示，也可以在比窗中心轴线Ac靠正侧设定两个边界轴K1、K2。此处，边界轴K1设定于相对于窗中心轴线Ac以距离D1(例如，10mm)偏向正侧，边界轴K2进一步以距离D3(例如，10mm)偏向正侧。将比边界轴K1靠负侧的区域的内侧曲率半径设为R1，将从边界轴K1至边界轴K2为止的区域的内侧曲率半径设为R2，将比边界轴K2靠正侧的区域的内侧曲率半径设为R3，将外侧曲率半径设为R4。
而且，图12表示使光学窗200的外侧曲率半径恒定为R4＝200mm，针对使内侧曲率半径成为使R1、R2、R3的设定不同的条件1和条件2，通过模拟计算出束外缘位置Bo的结果。其中，在条件1中，内侧曲率半径为R1＝190mm、R2＝R3＝194mm。在条件2中，内侧曲率半径为R1＝190mm、R2＝192mm、R3＝196mm。换句话说，条件1表示使切换曲率半径的边界从窗中心轴线Ac(即，窗中心)偏离的情况。另外，条件2表示设置了三个曲率半径不同的区域的情况。
图12中，可知的是，在条件1的情况下，得到与图9所示的边界位于中心轴线时相同程度的不一致抑制效果，在条件2的情况下，在正方向的角度大的区域中，得到较大的不一致抑制效果。
(6b)在上述实施方式中，对从窗正面侧观察扫描中心轴线As位于比窗中心轴线Ac靠右侧的情况进行了说明，但这些的配置也可以相反。
(6c)在上述实施方式中，使用束外缘位置Bo，以Bo的绝对值处于APD的受光面内作为外缘允许条件，对光学窗200的形状进行了评价，但不限定于此。例如，也可以使用束位置Bp和束径Bw中任一者进行评价。也可以是，在使用束位置Bp的情况下，例如，以Bp处于受光元件31的受光面内作为位置允许条件，对光学窗200的形状进行评价。也可以是，在使用束径Bw的情况下，例如，以Bw为元件宽度Ew以下作为径允许条件，对光学窗200的形状进行评价。
(6d)也可以是，通过多个构成要素实现上述实施方式的一个构成要素具有的多个功能，或者通过多个构成要素实现一个构成要素具有的一个功能。另外，也可以是，通过一个构成要素实现多个构成要素具有的多个功能，或者通过一个构成要素实现由多个构成要素实现的一个功能。另外，也可以省略上述实施方式的结构的局部。另外，也可以相对于其他上述实施方式的结构附加或者置换上述实施方式的结构的至少局部。
(6e)除了上述的激光雷达装置1之外，还能够通过以该激光雷达装置1作为构成要素的系统等各种形式来实现本公开。

Claims (7)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，具备：
光检测模块(2)，其构成为投光沿着预先设定的扫描方向扫描的光束，并且接受从扫描范围射入的光；和
光学窗(200)，其构成为，在收纳所述光检测模块的壳体(100)的开口部设置，并具有朝向所述壳体的外侧突出的曲面形状，且使通过所述光检测模块而投光和受光的光束透过，
所述光检测模块配置为，在所述扫描的中心亦即扫描中心与沿着所述扫描方向的所述光学窗的中心亦即窗中心，在所述扫描方向上的位置互不相同，
所述光学窗以面对所述壳体的外部的外侧面和面对所述壳体的内部的内侧面中的至少一者作为对象面，所述对象面的沿着扫描面的截面形状具有相对于所述窗中心不对称的形状，所述扫描面包括从所述光检测模块投光的光束的扫描方向和投光方向。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面的截面形状构成为沿着所述扫描方向分割的多个区域中每一个区域曲率半径不同。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面是所述光学窗的内侧面。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面的截面形状设定为从所述窗中心观察时越靠所述扫描中心侧的区域则曲率半径越小。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面的曲率半径设定为，向所述光检测模块具有的受光元件入射的受光束的位置亦即束位置满足预先设定的位置允许条件。
6.根据权利要求2～4中任一项所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面的曲率半径设定为，向所述光检测模块具有的受光元件入射的受光束的直径亦即束径满足预先设定的直径允许条件。
7.根据权利要求2～4中任一项所述的激光雷达装置，其特征在于，
所述对象面的曲率半径设定为，使在以所述受光元件的中心为基准而示出向所述光检测模块具有的受光元件入射的受光束的位置而得到的束位置上，加上所述受光束的半径亦即束半径而成的束外缘位置，满足预先设定的外缘允许条件。
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