CN111948659A - 激光雷达装置、测定方法、测定程序和行进物体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够以更良好的精度生成三维信息的激光雷达装置。本发明是一种激光雷达装置，具有：扫描仪部，将形成为线状以在规定的第一方向上延伸的激光、即线状激光改变发射光角并向测量对象区域照射，从而沿与所述第一方向正交的第二方向对所述测量对象区域进行扫描；接收信号生成部，接收照射到所述测量对象区域的所述线状激光的反射光，生成接收信号；存储部，存储所述线状激光的所述第二方向上的形状失真信息；以及三维信息生成部，基于所述第二方向的校正位置信息，生成所述测量对象区域的三维信息，所述第二方向的校正位置信息是根据所述形状失真信息对基于所述接收信号和所述发射光角算出的所述第二方向上的位置信息进行校正而得到的。

Description

激光雷达装置、测定方法、测定程序和行进物体
技术领域
本公开涉及通过使激光扫描而生成测量对象区域的三维信息的激光雷达装置、和行进物体。
背景技术
一般而言，已知使激光一边在测量对象区域中进行扫描一边照射，用受光元件接收来自在该测量对象区域中存在的物体等的反射光，根据由此得到的受光信号的分布而生成测量对象区域的三维信息的激光雷达装置。在这种激光雷达装置中，在激光的发射光侧、和反射光的受光侧各自设置扫描仪，与扫描时的发射光侧的扫描仪的镜角(激光的发射光角)相匹配地随时调整受光侧的扫描仪的镜角(反射光的受光角)，从而使反射光向受光元件入射。在该结构中，在发射光侧和受光侧两者设置扫描仪，因此存在激光雷达装置整体大型化的问题。
为了解决上述问题，提出了在受光侧不设置扫描仪而能够通过简单的结构实现无扫描的激光雷达装置(参照专利文献1)。该激光雷达装置具有：受光侧透镜，接收在第一方向上形成为线状的激光从测量对象区域反射的反射光；受光线传感器，具有多个受光单元，所述多个受光单元配置在该受光侧透镜的下游侧，沿着上述第一方向排列；以及受光侧光学系统，配置在受光侧透镜与受光线传感器之间。该受光侧光学系统具有将被受光侧透镜接收的反射光朝向受光线传感器聚光、同时在第二方向上聚光的倍率设定为大于在第一方向上聚光的倍率的受光侧光学系统，因此能够将测量对象区域整体收在受光线传感器的传感器视野中，能够通过简单的结构实现受光侧的无扫描。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-180624号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所公开的激光雷达装置中，前提在于，形成为线状的激光(以下称为线状激光)在向测量对象区域A照射时，其形状为直线，且与线传感器轴(例如x轴方向)平行。因此，考虑到在线状激光的照射轴相对于线传感器轴倾斜的情况、或线状激光的直线形状弯曲等失真的情况(参照后述图4)等情况下，所生成的三维信息的扫描方向的位置坐标中产生错位。此外，例如在线状激光向测量对象区域照射的中途存在透镜的情况等情况下，对于每个线状激光的发射光角(照射方向角)，上述弯曲形状等失真形状也有可能发生变化。
鉴于上述情况，本发明的至少一个实施方式的目的在于，提供能够以更良好的精度生成三维信息的激光雷达装置。
用于解决问题的手段
(1)本发明的至少一个实施方式所涉及的激光雷达装置具有：
扫描仪部，将形成为线状以在规定的第一方向上延伸的激光、即线状激光改变发射光角并向测量对象区域照射，从而沿与所述第一方向正交的第二方向对所述测量对象区域进行扫描；
接收信号生成部，接收照射到所述测量对象区域的所述线状激光的反射光，生成接收信号；
存储部，存储所述线状激光的所述第二方向上的形状失真信息；以及
三维信息生成部，基于所述第二方向的校正位置信息，生成所述测量对象区域的三维信息，其中所述第二方向的校正位置信息是根据所述形状失真信息对基于所述接收信号和所述发射光角算出的所述第二方向上的位置信息进行校正而得到的。
根据上述(1)的结构，基于在第一方向(例如X方向)上形成为线状的激光(线状激光)向测量对象区域的发射光角、和来自该测量对象区域的反射位置的反射光的信号(接收信号)通过例如几何学的手段等而求出的第二方向的位置信息(预想位置信息)，基于将其通过形状失真信息进行校正而得到的第二方向(例如Y方向)的校正位置信息而生成测量对象区域的三维信息。
由此，在通过发射光侧透镜而要形成为线状的激光的形状实际上未形成为如预想那样的直线状而失真的情况、或激光的照射轴倾斜等而直线状的形状与预想相比倾斜的情况等情况下，即使在向测量对象区域照射时的线状激光的形状的第二方向上的位置处产生偏离预想位置的错位的情况下，通过使用第二方向的校正位置信息，也能够以良好的精度生成测量对象区域的三维信息。
(2)在多个实施方式中，在上述(1)的结构中，
所述三维信息生成部具有：
校正位置算出部，获取基于直至所述测量对象区域的所述反射光的反射位置为止的距离信息和所述发射光角而算出的所述反射位置的所述第二方向上的位置信息、以及基于在所述存储部中存储的所述形状失真信息而得到的与所述反射位置的所述第一方向上的位置信息和所述距离信息相应的校正值，并基于所获取的所述第二方向上的位置信息和所述校正值，算出所述第二方向的校正位置信息。
根据上述(2)的结构，从形状失真信息，获取基于测量对象区域直至反射位置为止的距离信息和发射光角而算出的反射位置的第二方向上的位置信息(预想位置信息)、以及根据反射位置的第一方向上的位置信息和距离信息而确定的校正值，算出反射位置的第二方向的校正位置信息。由此，能够得到第二方向的校正位置信息。
(3)多个实施方式中，在上述(2)的结构中，还具有：
监测用传感器，接收所述线状激光；
分支器，使从所述扫描仪部朝向所述测量对象区域照射的所述线状激光向所述监测用传感器分支；以及
形状失真信息生成部，基于通过所述监测用传感器而接收到的所述线状激光的形状，生成所述形状失真信息。
根据上述(3)的结构，通过使向测量对象区域照射的实际的线状激光向监测用传感器分支而得到线状激光的形状信息，并且基于线状激光的形状信息而生成与发射光角相应的校正值。由此，能够以良好的精度生成线状激光的形状失真信息。
(4)多个实施方式中，在上述(3)的结构中，还具有：
远场图案观察光学系统，设置在所述监测用传感器与所述分支器之间，用于观察远场图案。
在半导体激光光源的情况下，在紧接光源之后(近场像：Near Field Pattern)、和远离光源的位置(远场像：Far Field Pattern)处，线状激光的形状(照射图案)不同。
根据上述(4)的结构，在监测用传感器与分支器之间设置远场图案观察光学系统。由此，能够基于通过远场图案观察光学系统而得到的线状激光的形状而生成形状失真信息，能够得到与实际的测量对象区域中的线状激光的形状更接近的形状，能够以更良好的精度生成形状失真信息。
(5)多个实施方式中，在上述(1)～(4)的结构中，
所述接收信号生成部具有：
受光侧透镜，接收从所述测量对象区域反射的所述反射光；
受光线传感器，具有多个受光单元，所述多个受光单元配置在所述受光侧透镜的下游侧，沿着所述第一方向排列；以及
受光侧光学系统，配置在所述受光侧透镜与所述受光线传感器之间，将被所述受光侧透镜接收到的所述反射光朝向所述受光线传感器聚光，并且在所述第二方向上聚光的倍率设定为大于在所述第一方向上聚光的倍率。
根据上述(5)的结构，激光雷达装置具有：受光线传感器，具有沿着第一方向排列的多个受光单元；以及受光侧光学系统，配置在受光侧透镜与受光线传感器之间，将被受光侧透镜接收到的反射光朝向受光线传感器聚光，并且在第二方向上聚光的倍率设定为大于在第一方向上聚光的倍率。因此，能够将测量对象区域整体收在受光线传感器的传感器视野中，能够用简单的结构实现受光侧的无扫描。
(6)多个实施方式中，在上述(5)的结构中，
所述三维信息生成部还具有：信息生成部，根据下述信息，生成所述测量对象区域的三维信息：
基于接收到所述反射光的所述受光单元的像素信息而获取的所述第一方向的位置信息；
所述第二方向的校正位置信息；以及
以根据照射所述激光起直至被所述受光线传感器接收为止的光往返时间而获取的直至所述测量对象区域为止的距离信息为基础、且与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向的距离信息。
根据上述(6)的结构，能够基于第一方向的位置信息、第二方向的校正位置信息、和第三方向的位置信息而生成测量对象区域的三维信息。
(7)多个实施方式中，在上述(1)～(6)的结构中，
所述形状失真信息存储在形成于所述存储部中的数据库。
根据上述(7)的结构，使用存储在数据库中的形状失真信息进行三维信息的生成。由此，激光雷达装置不需要在三维信息的生成时搭载上述分支器或监测用传感器等，能够使激光雷达装置小型化。
(8)本发明的至少一个实施方式所涉及的行进物体具有：
上述(1)～(7)中任一项所述的激光雷达装置。
根据上述(8)的结构，上述激光雷达装置搭载在例如车辆等行进的行进物体上。由此，能够实时地获取行进物体的行进路径的三维信息，能够进行行进物体的驾驶辅助。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，提供能够以更良好的精度生成三维信息的激光雷达装置。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的激光雷达装置的概略结构图。
图2是示出本发明的一个实施方式所涉及的包括受光侧光学系统的周边结构的示意图。
图3是示出本发明的一个实施方式所涉及的聚光透镜的结构的立体图。
图4是例示本发明的一个实施方式所涉及的线状激光的形状的失真的图，虚线为预想形状，实线为线状激光的实际形状。
图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的用于生成形状失真信息的结构的图。
图6是示出本发明的一个实施方式所涉及的远场图案观察光学系统的图。
标号说明
1激光雷达装置
1a扫描仪部
11激光光源
12光侧透镜
13可动式扫描仪
14反射镜
15垂直扫描部
15a电流镜
15b驱动马达
16受光侧透镜
16a接收信号生成部
17受光侧光学系统
18受光线传感器
18a受光单元
18s线传感器轴
19放大器电路
20距离运算部
21三维信息生成部
22第二方向位置算出部
23校正位置算出部
24第三方向位置算出部
25生成部
26存储部
27形状失真信息生成部
30光源控制部
31扫描仪控制部
35中继透镜
36聚光透镜
36a曲面
36b平面
41监测用传感器
42分支器
5远场图案观察光学系统
51透镜
52场透镜
53中继透镜
82外部设备
L激光
Lb线状激光
S测量点
R反射光
A测量对象区域
Aa分割区域
X第一方向(水平方向)
Y第二方向(垂直方向)
Z第三方向(Z方向)
I形状失真信息
V预想直线
Dy误差
D距离信息
Sx水平方向X的位置坐标
Sy垂直方向Y的校正位置坐标
Sy'垂直方向Y的预想第二方向位置坐标
Sz Z方向的位置坐标
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的多个实施方式进行说明。其中，作为实施方式而记载的或在附图中示出的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等不旨在将本发明的范围限定于此，仅为说明例。
例如，“在某一方向上”、“沿着某一方向”、“平行”、“垂直”、“中心”、“同心”或“同轴”等表示相对的或绝对的配置的表达不仅表示严格而言如上所述的配置，还表示具有公差、或得到相同功能的程度的角度或距离而相对位移的状态。
例如，“相同”、“相等”和“均质”等表示事物为等同状态的表达不仅表示严格而言等同的状态，还表示存在公差、或得到相同功能的程度的差异的状态。
例如，四边形或圆柱形等表示形状的表达不仅表示几何学上严格含义下的四边形或圆柱形等形状，还表示在得到相同效果的范围内包括凹凸部或倒角部等的形状。
另一方面，“包括”、“具有”、“具备”、“包含”、或“有”一个结构要素的表达不是排除其他结构要素的存在的排他性表达。
图1是本发明的一个实施方式所涉及的激光雷达装置1的概略结构图。激光雷达装置1如图1所示那样，对在远离规定距离的位置处设定的区域等预先设定的规定的测量对象区域A，例如将在水平方向(第一方向)X上延伸的线状(直线状)的激光L(以下称为线状激光Lb)在与该水平方向X正交的垂直方向(第二方向)Y上进行扫描并进行照射，接收该线状激光Lb的反射光R，生成测量对象区域A的三维信息。
该激光雷达装置1也可以搭载在例如在线路上行进的列车等车辆(行进物体8)的前进方向前方。在该情况下，也可以以实时等方式生成在车辆的前进方向上设定、且根据车辆的行进而随时更新的测量对象区域A的三维信息。由此，能够利用所生成的三维信息，判断在车辆的前进方向上是否存在障碍物。
以下，使用图1～图4对上述激光雷达装置1进行详细说明。图2是示出本发明的一个实施方式所涉及的包括受光侧光学系统17的周边结构的示意图。图3是示出本发明的一个实施方式所涉及的聚光透镜36的结构的立体图。图4是例示本发明的一个实施方式所涉及的线状激光Lb的形状的失真的图，虚线为预想形状，实线为线状激光Lb的实际形状。
如图1所示那样，激光雷达装置1具有通过照射线状激光Lb而对测量对象区域A进行扫描(Scan)的扫描仪部1a、接收信号生成部16a、以及三维信息生成部21。在图1所示的实施方式中，激光雷达装置1还具有距离运算部20。针对激光雷达装置1所具有的上述结构，以图1所示的实施方式为例分别进行说明。
应予说明，以下的说明中，将第一方向设为水平方向X、将第二方向设为垂直方向Y、将与该第一方向和第二方向正交的第三方向设为Z方向进行说明。但是，本发明不限于此，只要第一方向、第二方向和第三方向相互垂直即可。三维信息生成部21或距离运算部20可以由具有未图示的CPU(处理器)、或者ROM或RAM之类的存储器的计算机构成，也可以由CPU按照在存储器(主存储装置)中加载的程序的命令进行操作(数据的运算等)来操作，还可以由集成电路构成。
扫描仪部1a通过将形成为线状以在水平方向X(规定的第一方向)上延伸的线状激光Lb改变发射光角θ并向测量对象区域A照射，从而沿与上述水平方向X正交的垂直方向Y(第二方向)对测量对象区域A进行扫描。在图1所示的实施方式中，上述扫描仪部1a具有激光光源11、发射光侧透镜12、以及可动式扫描仪13。
对图1所示的实施方式详细描述。激光光源11发射激光L。激光L使用例如200～2000nm的波长的激光。特别地，在室外的广阔空间中使用激光雷达装置1的情况下，通过使用800～2000nm的波长的激光，能够实现稳定的测量。激光光源11也可以例如由激光二极管等构成。本实施方式中，激光光源11基于控制激光光源11的操作的光源控制部30的发光指令，以脉冲状发射激光L。
发射光侧透镜12将从激光光源11发射的激光L形成为线状以在规定的水平方向X上延伸。例如，发射光侧透镜12可以由圆柱型凸透镜构成，也可以由圆柱型凹透镜构成。通过这样的结构，能够将从激光光源11发射的激光L形成为线状。在本实施方式中，通过使发射光侧透镜12的轴方向与水平方向X一致，将激光L形成为在水平方向X上延伸的线状。
可动式扫描仪13是用于下述的结构：将通过上述发射光侧透镜12形成为线状的激光L(以下适当称为线状激光)一边改变发射光角θ一边向测量对象区域A照射，从而沿着垂直方向Y对测量对象区域A进行扫描。通过将扫描的方向设为与线状激光Lb直线延伸的方向(X)垂直的方向(Y)，对于测量对象区域A的三维测量速率提高，能够以短时间进行测量对象区域A的测量。
更详细而言，在本实施方式中，可动式扫描仪13具有反射线状激光Lb的反射镜14、以及使被反射镜14反射的线状激光Lb在垂直方向Y上扫描的垂直扫描部15。反射镜14将用发射光侧透镜12形成为线状的激光L向垂直扫描部15反射。该垂直扫描部15例如由流电扫描仪(galvano scanner)构成，具有作为平面镜的电流镜(galvano mirror)15a、以及使电流镜15a的镜面摆动的驱动马达15b。并且，垂直扫描部15在控制可动式扫描仪13的操作的扫描仪控制部31的控制下，驱动驱动马达15b而使电流镜15a摆动。
该扫描仪控制部31基于规定的扫描图案，控制驱动马达15b的动作。由此，将被反射镜14反射的激光L向测量对象区域A照射，并且能够控制向测量对象区域A的发射光角θ(垂直方向Y的角度)，能够对测量对象区域A进行垂直方向Y的扫描。并且，以这样的方式从可动式扫描仪13向测量对象区域A发射的线状激光Lb在测量对象区域A中被反射，其反射光R由下述说明的接收信号生成部16a进行处理。
但是，本发明不限定于图1所示的实施方式。在另外的多个实施方式中，扫描仪部1a也可以不具有上述可动式扫描仪13，而具有能够一边改变发射光角θ一边将激光向测量对象区域A照射的光相位阵列等带有光束扫描功能的光源(非机械扫描仪)，也可以还具有上述的发射光侧透镜12。在另外的多个实施方式中，扫描仪部1a也可以不具有发射光侧透镜12，而具有能够输出线状激光Lb的半导体激光等光源，也可以还具有可动式扫描仪13。
接收信号生成部16a接收照射到测量对象区域A的线状激光Lb的反射光R，生成与该反射光R相应的接收信号。更详细而言，在本实施方式中，如图2所示那样，接收信号生成部16a具有受光侧透镜16、受光侧光学系统17、以及受光线传感器18。
受光侧透镜16接收从测量对象区域A的各反射位置(以下称为测量点S)反射的反射光R。如图2所示那样，线状激光Lb具有线状的形状，向测量对象区域A的一定的线状的范围照射，因此受光侧透镜16接收来自多个测量点S的反射光R。并且，受光侧透镜16在受光侧透镜16的下游侧的规定位置处对各测量点S的像进行成像。
受光侧光学系统17是用于将被受光侧透镜16接收到的反射光R在垂直方向Y上聚光的光学系统。在本实施方式中，如图2所示那样，受光侧光学系统17具有配置在受光侧透镜16的成像位置处的中继透镜35、以及配置在该中继透镜35的下游侧处的聚光透镜36。中继透镜35由凸透镜构成，具有保持成像位置处的受光侧透镜16的成像信息不变并且向聚光透镜36传输的功能。如图3所示那样，聚光透镜36由反射光R的入射侧为曲面36a且出射侧为平面36b的圆柱型凸透镜构成。应予说明，聚光透镜36也可以由反射光R的入射侧为平面且出射侧为曲面的圆柱型凸透镜构成。该聚光透镜36形成为在垂直方向Y上聚光的倍率大于在水平方向X上聚光的倍率。即，聚光透镜36将从中继透镜35传输的反射光R的平行光束、即成像信息全部朝向受光线传感器18在垂直方向Y上聚光。
像这样，在本实施方式中，受光侧光学系统17通过组合了2种透镜的简单的结构，使受光侧透镜16的成像信息向受光线传感器18聚光，使来自测量对象区域A的任意测量点S的反射光R均向受光线传感器18聚光，由此能够始终将测量对象区域A中的被区分的分割区域Aa整体收在受光线传感器18的各受光单元18a的视野中，实现受光侧的无扫描。
受光线传感器18将接收到的反射光R转换为电信号。受光线传感器18具有沿着水平方向X排列的多个(本实施方式中为5个)受光单元18a而构成，这些受光单元18a在水平方向X上横向排列而配置，由此线传感器轴18s构成为在水平方向X上延伸。各受光单元18a由接收反射光R而转换为电流的光电转换元件(例如光电二极管)形成，由具有单一的像素的单一元件形成。因此，能够响应于短脉冲的激光L。
并且，从中继透镜35传输的平行光束的各光束被多个受光单元18a之中的水平方向X的位置一致的受光单元18a接收。即，测量对象区域A被区分为与受光线传感器18所具有的受光单元18a的数量相同数目的分割区域Aa，来自测量对象区域A的反射光R被空间分解为与受光线传感器18所具有的受光单元18a的数量相同数目的数量，被与分割区域Aa对应的受光单元18a接收。在图2～图3所示的实施方式中，受光单元18a的数量为5个。因此，来自测量对象区域A的反射光R与分割区域Aa对应地被空间分解为5个，被与分割区域Aa对应的受光单元18a接收。此时，来自各分割区域Aa的反射光R通过聚光透镜36而在垂直方向Y上聚光，因此在受光线传感器18上，将来自测量对象区域A的反射光R的平行光束、即成像信息全部聚光。
此外，受光线传感器18输出基于接收到的反射光R所包含的激光L的接收信号。本实施方式中，接收信号生成部16a还具有放大器电路19。该放大器电路19将受光线传感器18所输出的接收信号放大为电压信号。受光线传感器18所输出的接收信号是微弱的电流信号，因此放大器电路19将电流信号转换为电压信号，并输出给距离运算部20。
该距离运算部20基于所输入的接收信号，运算测量对象区域A的测量点S的距离信息D、以及该测量点S的水平方向X的位置信息。在本实施方式中，上述光源控制部30具有激光雷达装置1的主时钟，在激光L发光的同时将脉冲状的发光同步信号输出给距离运算部20。并且，距离运算部20接收从光源控制部30输出的脉冲状的发光同步信号、以及从接收信号生成部16a输出的接收信号，运算直至被照射激光L的测量对象区域A的测量点S为止的距离。
具体而言，距离运算部20基于发光同步信号和接收信号而测量发射(照射)激光L起直至受光线传感器18接收反射光R为止的时间(光往返时间)，并且基于该测量时间运算直至反射了激光L的测量点S为止的距离。即，该距离是激光L前进了的距离(发射光距离)，若将激光L的速度设为c、测量时间设为t，则用c×t÷2这一运算式而求出。
另一方面，针对上述水平方向X的位置信息，距离运算部20获取接收了反射光R的受光单元18a的像素信息(编号)，根据该像素信息来运算测量点S的水平方向X的位置信息。
并且，距离运算部20将如上所述运算的测量对象区域A的测量点S的上述发射光距离的信息(以下称为距离信息D)和水平方向X的位置信息输出给三维信息生成部21。距离运算部20也可以将距离信息D、以及接收信号中包含的受光强度与距离信息D进行关联，并输出给生成部25。
三维信息生成部21基于从上述接收信号生成部16a输出的接收信号，生成测量对象区域A的三维信息。在本实施方式中，在该三维信息的生成过程中，三维信息生成部21从上述距离运算部20获取测量点S的水平方向X的位置信息，垂直方向Y的位置信息Sy和Z方向的位置信息Sz通过基于从距离运算部20输入的距离信息D、和从上述扫描仪控制部31输入的发射光角θ(发射光控制角度)进行运算从而获取。即，能够通过几何学的手段，通过上述距离信息D×cosθ等而算出Z方向的位置信息Sz。
另一方面，若通过距离信息D×sinθ等而算出垂直方向Y的位置信息Sy，则产生下述说明的问题。即，如上所述运算的垂直方向Y的位置坐标的前提在于，在将形成为线状的激光L(Lb)向测量对象区域A照射时，其形状为直线且与线传感器轴18s平行。因此，考虑到在线状激光Lb的照射轴相对于线传感器轴18s倾斜的情况、或线状激光Lb的直线形状弯曲等失真的情况(参照图4)等情况下，所生成的三维信息的扫描方向(本实施方式中为垂直方向Y)的位置坐标中产生错位。
例如，来自激光雷达装置1的激光L如图4的虚线所示那样，尽管应当形成为与水平方向X(线传感器轴18s的延伸方向)平行延伸的直线(预想直线V)，但实际上如图4的实线那样弯曲。在该情况下，水平方向X上的位置在实线和虚线中为同一位置(图4的x1)，但针对垂直方向Y产生误差Dy。在这样的情况下，三维信息生成部21若设想为线状激光Lb的形状对测量对象区域A如图4的虚线所示那样在水平方向X上直线照射而生成三维信息，则将垂直方向Y的位置坐标实际上为y1的测量点S的垂直方向Y的位置信息算出为y2。因此，在该图4所示的测量点S的情况下，所生成的三维信息的各测量点S的垂直方向Y的位置坐标中产生误差Dy(|y2-y1|)。
此外，垂直方向Y上的上述误差Dy越远离可动式扫描仪13则越扩大，因此与Z方向上的测量点S的位置坐标相应地变化。因此，直至位于测量对象区域A的物体的表面为止的距离(Z方向的距离)越远，则误差Dy越大，所生成的三维信息的精度降低。此外，例如在将线状激光Lb向测量对象区域A照射的中途存在透镜的情况等情况下，按线状激光Lb的每个发射光角θ，上述弯曲形状等失真形状也可能会变化。像这样，在线状激光Lb的形状与发射光角θ相应地发生变化的情况下，误差Dy的大小与垂直方向Y的位置坐标相应地不均匀，所生成的三维信息的精度进一步降低。
因此，本发明的激光雷达装置1除具有上述结构之外，还具有能够存储线状激光Lb的垂直方向Y(第二方向)上的形状失真信息I的存储部26。并且，上述三维信息生成部21基于垂直方向Y的校正位置信息Sy，生成测量对象区域A的三维信息，所述垂直方向Y的校正位置信息Sy是通过形状失真信息I，对基于从接收信号生成部16a输出的接收信号和发射光角θ而算出的垂直方向Y上的位置信息进行校正而得到的。
具体而言，上述形状失真信息I也可以由对于发射光角θ和Z方向的单位距离的信息集合确定的误差Dy的信息构成。即，如果参照形状失真信息I，则得到对于发射光角θ的、在Z方向上偏离单位距离量的位置处的误差Dy。因此，通过将以这样的方式得到的误差Dy基于Z方向的距离(Z方向的位置信息Sz)进行扩大或者缩小的运算，能够算出校正值C，该校正值C将以线状激光Lb与线传感器轴18s平行且为直线(图4的预想直线V)作为前提而算出的垂直方向Y上的位置坐标(图4的y2)校正为实际的位置(图4的y1)。由此，能够与Z方向的位置信息Sz相应地适当地算出校正值C，并且即使在该校正值C对于水平方向X的位置信息或发射光角θ具有依赖性的情况下，也能够适当地算出校正值C。
本实施方式中，三维信息生成部21具有校正位置算出部23，该校正位置算出部23获取基于直至测量对象区域A的反射光R的反射位置(测量点S)为止的距离信息D和发射光角θ而算出的反射位置的垂直方向Y上的位置信息(图4的y2)、以及基于在存储部26中存储的形状失真信息I而得到的与反射位置的水平方向X上的位置信息(图4的x1)和距离信息D相应的校正值C(图4的y1-y2)，并基于所获取的垂直方向Y上的位置信息和校正值C，算出垂直方向Y的校正位置信息Sy(图4的y1)。
更详细而言，三维信息生成部21具有第二方向位置算出部22，该第二方向位置算出部22基于距离信息D和发射光角θ而算出垂直方向Y(第二方向)的预想第二方向位置坐标Sy’。上述校正位置算出部23连接到该第二方向位置算出部22，将从第二方向位置算出部22输入的预想第二方向位置坐标Sy'用校正值C进行校正，由此算出垂直方向Y的校正位置信息Sy。此外，三维信息生成部21具有第三方向位置算出部24，该第三方向位置算出部24基于发射光角θ和距离信息D而算出Z方向的位置信息Sz。
并且，由校正位置算出部23算出的垂直方向Y的校正位置信息Sy与由上述距离运算部20运算得到的水平方向X的位置信息Sx、以及由第三方向位置算出部24算出的Z方向的位置信息Sz一起，输入给三维信息生成部21所具有的生成部25。由此，生成部25能够针对各测量点S，分别获取水平方向X、垂直方向Y以及Z方向的位置信息Sz。即，生成部25能够获取测量点S的三维的坐标信息，根据在测量对象区域A中存在的多个测量点S的坐标信息分布而生成测量对象区域A的三维信息。
以这样的方式，由三维信息生成部21生成的测量对象区域A的三维信息以有线或无线的方式发送给外部设备82(例如车辆的计算机等)，被该外部设备82利用。
但是，本发明不限于本实施方式。三维信息生成部21只要基于垂直方向Y的校正位置信息Sy而生成三维信息即可，也可以不经过将上述预想第二方向位置坐标Sy'用校正值C进行校正这一步骤，而是基于距离信息D、发射光角θ和形状失真信息I，通过其他方法算出第二方向的校正位置信息Sy。此外，也可以通过构成为向距离运算部20输入发射光角θ，从而由距离运算部20算出Z方向的位置信息Sz。在该情况下，能够省略第三方向位置算出部24。
此外，在上述实施方式中，作为垂直扫描部15的一例，说明了使用流电扫描仪的结构，但不限于该结构，例如也可以使用具有多棱镜的多棱镜扫描仪。此外，在发射光侧透镜12的光轴上能够配置垂直扫描部15的结构中，也可以不设置反射镜14。在图2中，设为中继透镜35和聚光透镜36各具有1个的结构，当然也可以设为组合了多个各透镜的透镜单元。此外，本实施方式中，设为中继透镜35配置在受光侧透镜16的成像位置的结构，但不限于此，也可以配置在受光侧透镜16的成像位置附近、或成像位置的后方。
根据上述结构，基于第二方向(例如垂直方向Y)的校正位置信息Sy，生成测量对象区域A的三维信息，其中该第二方向(例如垂直方向Y)的校正位置信息Sy是通过形状失真信息I，对基于在第一方向(例如水平方向X)上形成为线状的激光(线状激光Lb)向测量对象区域A的发射光角θ、以及来自该测量对象区域A的反射位置(测量点S)的反射光R的信号(接收信号)，通过例如几何学的手段等而求出的第二方向的位置信息(预想位置信息)进行校正而得到的。
由此，在例如通过发射光侧透镜12等扫描仪部1a而要形成为线状的激光L(或者种光)的形状实际上未形成为如预想那样的直线状而失真的情况、或激光L的照射轴倾斜等而直线状的形状与预想相比倾斜的情况等情况下，即使在照射到测量对象区域A时的线状激光Lb的形状的第二方向上的位置处产生偏离预想位置的错位的情况下，通过使用第二方向的校正位置信息Sy，也能够以良好的精度生成测量对象区域A的三维信息。
接着，针对上述形状失真信息I的生成手段，使用图5～图6进行说明。图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的用于生成形状失真信息I的结构的图。此外，图6是示出本发明的一个实施方式所涉及的远场图案观察光学系统5的图。
在多个实施方式中，如图5所示那样，激光雷达装置1还具有：监测用传感器41，接收线状激光Lb；分支器42，使从可动式扫描仪13等朝向测量对象区域A照射的线状激光Lb向上述监测用传感器41分支；以及形状失真信息生成部27，基于由上述监测用传感器41接收到的线状激光Lb的形状，生成用于求出例如与水平方向X上的位置信息、以及上述距离信息D相应的上述校正值C的形状失真信息I。在图5所示的实施方式中，分支器42设置在可动式扫描仪13与测量对象区域A之间，但在另外的多个实施方式中，也可以设置在例如发射光侧透镜12与可动式扫描仪13(反射镜14等)之间等使得激光L的形状成为线状的其他位置。
上述监测用传感器41是拍照元件，也可以是例如CCD或CMOS等图像传感器。并且，由分支器42进行分支后的线状激光Lb在监测用传感器41的受光面上成像，监测用传感器41通过将接收到的线状激光Lb转换为电信号，从而获取其形状信息。并且，形状失真信息生成部27通过将从监测用传感器41输入的电信号转换为数据，从而生成能够在上述存储部26中存储的形状失真信息I。
即，用于监测线状激光Lb的实际形状的监测系统使用分支器42和监测用传感器41而构成。并且，通过图像处理而测量利用该监测系统而得到的线状激光Lb的实际形状、和通过与发射光角θ相应地预想的垂直方向Y的位置且与水平方向X平行的直线之间的误差Dy，从而生成上述形状失真信息I。并且，通过将由形状失真信息生成部27生成的形状失真信息I存储在上述存储部26中，能够由三维信息生成部21利用。
此时，实际的线状激光Lb相对于通过预想第二方向位置坐标Sy'且与水平方向X平行的预想直线V(参照图4)，有时不确定位于上下哪一侧。例如，用Sy＝Sy'+C的运算式运算垂直方向Y的校正位置信息Sy的情况下，如图4所示那样，在实际的测量点S与预想直线V相比位于下方的情况下，预先将校正值C的符号设为负，由此能够适当地算出校正位置信息Sy。但是，在测量点S实际上与预想直线V相比位于上方的情况下，无法适当地算出垂直方向Y的校正位置信息Sy。因此，通过例如使监测用传感器41接收没有形成为线状的状态的激光L，在确认了预想第二方向位置坐标Sy'的位置后，进行形成为线状的线状激光Lb的形状的测量，从而能够适当地确定校正值C的符号。
在此，在上述激光光源11为例如面发光激光等半导体激光光源的情况下，在紧接光源之后(近场像：Near Field Pattern)和远离光源的位置(远场像：Far Field Pattern)处，线状激光的形状(照射图案)不同。
因此，在多个实施方式中，如图5～图6所示那样，激光雷达装置1也可以还具有远场图案观察光学系统5，该远场图案观察光学系统5设置在监测用传感器41与分支器42之间，用于观察远场图案。在图5～图6所示的实施方式中，远场图案观察光学系统5通过从分支器42侧朝向监测用传感器41侧将f-θ透镜51、场透镜52、和中继透镜53横向排列而构成。并且，线状激光Lb从中继透镜53向监测用传感器41发射。
根据上述结构，在监测用传感器41与分支器42之间设置远场图案观察光学系统5。由此，基于通过远场图案观察光学系统5而得到的线状激光Lb的形状，能够生成形状失真信息I，能够得到与实际的测量对象区域A中的线状激光Lb的形状更接近的形状，能够以更良好的精度生成形状失真信息I。
此外，在多个实施方式中，也可以在上述监测系统中，构成为监测实际的线状激光Lb的形状，并且通过形状失真信息生成部27生成形状失真信息I而存储在存储部26，并进行三维信息的生成。由此，能够进行三维信息的生成而不预先制作形状失真信息I。
在另外的多个实施方式中，也可以在通过激光雷达装置1生成三维信息之前，预先进行利用上述监测系统进行的形状失真信息I的生成，并且存储在存储部26中作为数据库。在该情况下，使用在数据库中存储的形状失真信息I进行三维信息的生成。由此，激光雷达装置1在生成三维信息时不需要搭载上述分支器42或监测用传感器41等，能够使激光雷达装置小型化。
本发明不限定于上述实施方式，还包括对上述实施方式施加变形而得到的形态、或适当组合这些形态而得到的形态。

Claims (10)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，具有：
扫描仪部，将形成为线状以在规定的第一方向上延伸的激光、即线状激光一边改变发射光角一边向测量对象区域照射，从而沿与所述第一方向正交的第二方向对所述测量对象区域进行扫描；
接收信号生成部，接收照射到所述测量对象区域的所述线状激光的反射光，生成接收信号；
存储部，存储所述线状激光的所述第二方向上的形状失真信息；以及
三维信息生成部，基于所述第二方向的校正位置信息，生成所述测量对象区域的三维信息，其中所述第二方向的校正位置信息是根据所述形状失真信息对基于所述接收信号和所述发射光角算出的所述第二方向上的位置信息进行校正而得到的。
2.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述三维信息生成部具有：
校正位置算出部，获取基于直至所述测量对象区域的所述反射光的反射位置为止的距离信息和所述发射光角而算出的所述反射位置的所述第二方向上的位置信息、以及基于在所述存储部中存储的所述形状失真信息而得到的与所述反射位置的所述第一方向上的位置信息和所述距离信息相应的校正值，并基于所获取的所述第二方向上的位置信息和所述校正值，算出所述第二方向的校正位置信息。
3.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，还具有：
监测用传感器，接收所述线状激光；
分支器，使从所述扫描仪部朝向所述测量对象区域照射的所述线状激光向所述监测用传感器进行分支；以及
形状失真信息生成部，基于由所述监测用传感器接收到的所述线状激光的形状，生成所述形状失真信息。
4.如权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，还具有远场图案观察光学系统，该远场图案观察光学系统设置在所述监测用传感器与所述分支器之间并用于观察远场图案。
5.如权利要求1至4中任一项所述的激光雷达装置，其特征在于，所述接收信号生成部具有：
受光侧透镜，接收从所述测量对象区域反射的所述反射光；
受光线传感器，具有多个受光单元，所述多个受光单元配置在所述受光侧透镜的下游侧并沿着所述第一方向排列；以及
受光侧光学系统，配置在所述受光侧透镜与所述受光线传感器之间，将被所述受光侧透镜接收到的所述反射光朝向所述受光线传感器聚光，并且在所述第二方向上聚光的倍率被设定为大于在所述第一方向上聚光的倍率。
6.如权利要求5所述的激光雷达装置，其特征在于，所述三维信息生成部还具有信息生成部，该信息生成部根据所述第一方向的位置信息、所述第二方向的校正位置信息、以及与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向的距离信息，生成所述测量对象区域的三维信息，其中所述第一方向的位置信息是基于接收到所述反射光的所述受光单元的像素信息而获取到的，所述第三方向的距离信息以根据照射所述激光起直至被所述受光线传感器接收为止的光往返时间而获取的直至所述测量对象区域为止的距离信息为基础。
7.如权利要求1至6中任一项所述的激光雷达装置，其特征在于，所述形状失真信息存储在形成于所述存储部中的数据库。
8.一种行进物体，其特征在于，具有权利要求1至7中任一项所述的激光雷达装置。
9.一种激光雷达测定方法，其特征在于，具有下述步骤：
将形成为线状以在规定的第一方向上延伸的激光、即线状激光一边改变发射光角一边向测量对象区域照射，从而沿与所述第一方向正交的第二方向对所述测量对象区域进行扫描；
接收照射到所述测量对象区域的所述线状激光的反射光，生成接收信号；
存储所述线状激光的所述第二方向上的形状失真信息；
基于所述第二方向的校正位置信息，生成所述测量对象区域的三维信息，其中所述第二方向的校正位置信息是根据所述形状失真信息对基于所述接收信号和所述发射光角算出的所述第二方向上的位置信息进行校正而得到的。
10.一种计算机可读取的存储介质，存储有激光雷达测定程序，该激光雷达测定程序用于使计算机执行下述步骤：
将形成为线状以在规定的第一方向上延伸的激光、即线状激光一边改变发射光角一边向测量对象区域照射，从而沿与所述第一方向正交的第二方向对所述测量对象区域进行扫描；
接收照射到所述测量对象区域的所述线状激光的反射光，生成接收信号；
存储所述线状激光的所述第二方向上的形状失真信息；
基于所述第二方向的校正位置信息，生成所述测量对象区域的三维信息，其中所述第二方向的校正位置信息是根据所述形状失真信息对基于所述接收信号和所述发射光角算出的所述第二方向上的位置信息进行校正而得到的。
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