CN112213854B

CN112213854B - 光学装置、车载系统和移动装置

Info

Publication number: CN112213854B
Application number: CN202010634934.6A
Authority: CN
Inventors: 川上智朗
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: US20210011127A1; CN112213854A; JP2021014992A; US11428783B2

Abstract

本发明提供光学装置、车载系统和移动装置。所述光学装置包括：偏转器，其被构造为，使来自光源单元的照明光偏转以扫描物体，并使来自所述物体的反射光偏转；以及控制器，其被构造为控制所述偏转器。所述照明光在第一横截面中的第一发散角大于在与所述第一横截面正交的第二横截面中的第二发散角。所述控制器控制所述偏转器，使得所述照明光以第一速度在所述第一横截面中移动，并且以高于所述第一速度的第二速度在所述第二横截面中移动。

Description

光学装置、车载系统和移动装置

技术领域

本发明涉及各自通过接收来自照明物体的反射光来检测物体(或对象)的光学装置、车载系统和移动装置。

背景技术

LiDAR(光检测和测距)是一种用于测量到物体的距离的已知方法，其基于接收来自照明物体的反射光的时间和反射光的相位来计算距离。日本特许第4476599号公报公开了一种构造，该构造基于在光接收元件接收到来自物体的反射光时偏转器(驱动镜)的角度和从光接收元件获得的信号，来测量物体的位置和距离。

当到物体的距离长时，从将照明光发射到物体到反射光从物体返回需要很长时间，因此驱动镜的角度显著改变。除了到物体的距离之外，驱动镜的驱动量还根据驱动镜的偏转角和频率的状态而改变。随着驱动镜的移动，光接收光路可能会从光接收元件偏移。在这种情况下，光接收器接收到的光量可能会减少，并且测量性能可能会劣化。

发明内容

本发明提供不论驱动镜的状态如何，都能令人满意地检测从短距离到长距离的范围内的物体的光学装置、车载系统和移动装置。

根据本发明一个方面的光学装置包括：偏转器，其被构造为，使来自光源单元的照明光偏转以扫描物体，并使来自所述物体的反射光偏转；以及控制器，其被构造为控制所述偏转器。所述照明光在第一横截面中的第一发散角大于在与所述第一横截面正交的第二横截面中的第二发散角。所述控制器控制所述偏转器，使得所述照明光以第一速度在所述第一横截面中移动，并且以高于所述第一速度的第二速度在所述第二横截面中移动。

具有上述光学装置的车载系统和移动装置还构成了本发明的另一方面。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1示意性地阐明了根据第一实施例的光学装置。

图2说明了激光二极管的发散角。

图3A至图3C说明了从光源单元发射的光的照明光路和由检测器接收的光的光接收光路。

图4A和图4B示出了物体与照明区域之间的关系。

图5A至图5D示出了光接收面与成像区域之间的关系。

图6示意性地示出了根据第二实施例的光学装置。

图7示出了变倍光学系统与驱动镜之间的关系。

图8示出了根据本实施例的车载系统的构造。

图9示意性地示出了根据本实施例的车辆(移动装置)。

图10是示出根据本实施例的车载系统的示例性操作的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述根据本发明的实施例。将通过相同的附图标记来指定各图中的对应元件，并且将省略其重复描述。

使用LiDAR的光学装置包括对物体进行照明的照明系统和接收来自物体的反射光或散射光的光接收系统。在LiDAR中，存在照明系统的光轴和光接收系统的光轴彼此一致的同轴系统、以及这些光轴彼此不一致的非同轴系统。根据本实施例的光学装置适用于同轴系统的LiDAR。

第一实施例

图1示意性地示出了根据本实施例的光学装置1。光源单元10包括光源11和准直仪12，该准直仪12近似准直来自光源11的发散光。光源11可以是单模LD(激光二极管)、多模LD或具有多个堆叠层来提供输出的多叠层LD。在发射高输出激光束时，通常使用多叠层多模LD。

图2说明了LD的发散角。本实施例使用多叠层多模LD作为光源11的示例。光源11从具有多个矩形形状强度分布的表面，发射在LX轴方向和与LX轴方向正交的LY轴方向上具有不同发散角的光。在本实施例中，在与PN结表面11j正交的方向上的发散角大，而在水平方向上的发散角小。即，从光源11发射的光在LX轴方向上的长度Hs比在LY轴方向上的长度Vs短。在光源11中，由于发散角不同，因此相对于LX轴的发光位置与相对于LY轴的发光位置不同，并且发生所谓的像散差。另外，在多叠层光源中，通常使用具有不同纵横比的发光器来发光。

在光源单元10中，虽然使用了光源11中的发光器的纵横比(不是1：1)和像散差，但是固定光圈(孔径光阑)、柱面透镜等(未示出)被设置为发射具有预定光束直径的基本平行的光。

分支部20使用于照明物体的照明光路和用于接收来自物体的反射光的光接收光路分支。分支部20包括例如具有通孔的镜(穿孔镜)，照明光在照明期间穿过开口，并且反射光在光接收期间被镜面反射。

驱动镜(偏转器)30使照明光偏转以扫描物体，并且使来自物体的反射光偏转以将光引导至分支部20。驱动镜30绕穿过镜的中心的Y轴，以频率“a”和单侧偏转角“b”摆动，并且还绕由与穿过镜的中心的Y轴垂直的交替长短虚线示出的Mx轴，以频率“a'”(<a)和单侧偏转角“b'”摆动。当驱动镜30绕作为中心的Y轴摆动偏转角θ/2时，从光源单元10发射的光束在倾斜了光学偏转角θ的情况下被反射。

检测器(光接收器)40包括成像透镜41、光接收元件42和未示出的带通滤波器。光接收元件42经由驱动镜30和分支部20接收从物体反射或散射的光。检测器40根据光接收元件42和带通滤波器的灵敏度接收从光源10发射的波长的光，而不接收波长不同于从光源10发射的光的波长的光。

控制器60控制光接收元件42，以在以预定的驱动电压和驱动频率驱动光源和驱动镜30的同时以预定的频率接收来自物体的反射光。

现在参照图3A至图3C，将描述从光源单元10发射的光的照明光路和由检测器40接收的光的光接收光路。图3A至图3C说明了从光源单元10发射的光的照明光路和由检测器40接收的光的光接收光路。图3A至图3C阐明了在与地面水平的方向上扫描物体。

图3A示出了从光源单元10发射的光扫描驱动镜30并被驱动镜30反射，并且对相隔距离T的物体OBJ进行照明。图3B阐明了来自物体OBJ的反射光或散射光在驱动镜30上反射、在分支部20上反射并会聚在检测器40上。

当到物体OBJ的距离T较大时，驱动镜30摆动直到来自物体OBJ的反射光返回为止，并且从驱动镜30到检测器40的光路可能会改变，如图3C所示。

例如，如果在以1kHz对驱动镜30进行驱动并且最大偏转角为16°且到物体OBJ的距离为150m时驱动镜30移动最快，则在来自物体OBJ的反射光返回之前将驱动镜30移位0.2°。在光接收元件42的光接收面(检测面)上，将成像光移位由驱动镜30的位移角和成像透镜41的焦距确定的偏移量。当成像透镜41的焦距为50mm时，将成像光移位175(＝50×tan(0.2°))μm。

如上所述，在本实施例中，由于发光器的纵横比不为1：1，因此照明光的发散角在垂直方向与水平方向之间彼此不同。在沿着图3A中的Z轴行进的出射光中，X方向上的发散角小于Y方向上的发散角。即，从根据本实施例的光源单元10发射的照明光具有第一截面(与图3A至图3C中的平面正交的平面)和与第一截面正交的第二截面(与图3A至图3C中的纸面平行的平面)，第一截面具有第一发散角，第二截面具有小于第一发散角的第二发散角。结果，物体OBJ的照明区域10a变成纵横比不是1∶1的区域(如图4A所示)。当在驱动镜30静止的情况下由检测器40接收到来自照明区域10a的反射光时，光接收元件42的光接收面43上的成像区域30a具有不为1：1的纵横比，如图5A所示。当以预定频率对驱动镜30进行正弦驱动并且偏转角θ为0时，驱动镜30具有最高角速度。在这种情况下，成像区域30a形成在图5A所示的位置。如果发光器具有成倒数的纵横比，则照明区域10a的纵横比与图4A中的照明区域10a的纵横比成倒数(如图4B所示)，并且成像区域30a的一部分偏离光接收面43(如图5C所示)并发生光屏蔽。结果，不能充分捕获来自长距离物体的反射光。

本实施例使驱动镜30的频率高的方向与光源11的发光器的发散角小的方向一致。换句话说，控制器60控制驱动镜30，使得照明光以第一速度在第一横截面中以第一发散角移动，并且以高于第一速度的第二速度在第二横截面中以第二发散角移动。因此，即使在长距离物体的测量期间驱动镜30移位，也可以在没有光屏蔽的情况下捕获接收到的光。即，根据本实施例的构造可以令人满意地检测从短距离到长距离的范围内的物体，而不管驱动镜30的偏转角和频率的状态如何。

在本实施例中，光接收元件42具有圆形的光接收面43，但是可以具有矩形或椭圆形的光接收面。在这种情况下，可以将相对于驱动镜30的快扫描方向、光接收面上沿光学等效方向的长度，设置为相对于驱动镜30的慢扫描方向、光接收面上沿光学等效方向的长度。

当仅在驱动镜30的一个方向上测量到物体的距离时，可以将光接收元件42的中心与光接收面43上的成像光中心设置为彼此偏离。例如，当驱动镜30以最大偏转角静止时，光接收面43和成像区域30a可以具有图5B所示的关系。如果驱动镜以0的偏转角最快地移动，则光接收面43和成像区域30a可以具有图5A或图5D中的关系。因此，取决于照明光的发散角、驱动镜30的频率和偏转角以及到物体的距离，通过限制与驱动镜30的快速摆动(驱动)方向相同的光学方向上的光接收元件42的尺寸，可以最小化外部光并且可以适当地接收信号光。

照明光的发散角方向和驱动镜30的方向可以相对于图3A至图3C旋转90°，只要满足本实施例中描述的条件即可。

尽管本实施例已经描述了将本发明应用于同轴系统的情况，但是本发明可以应用于非同轴系统。

第二实施例

图6示意性地示出了根据本实施例的光学装置2。光学装置2与根据第一实施例的光学装置1的不同之处在于，光学装置2具有在驱动镜30的光出射侧设置的变倍光学系统50。由于其他构造与第一实施例相同，因此将省略其详细描述。

变倍光学系统50是例如以倍率β放大光束直径的光学系统，并且光出射侧的光束直径大于入射侧的光束直径。变倍光学系统50接收具有相对于驱动镜30的有效直径的倍率β的平方的光束直径。此时，检测器40接收具有驱动镜30在驱动镜30的镜面上的尺寸的光束直径。

通常期望在视角内没有杂散光，并且期望设计成使得变倍光学系统50不具有杂散光。例如，如图7所示，变倍光学系统50可以偏心或倾斜，使得光轴Az与来自驱动镜30的照明光的主光线的光路不一致。

图7示出了变倍光学系统50与驱动镜30之间的关系、或者图6的构造中的驱动镜30的光发射侧在YZ平面上的构造。Fa、Fb和Fc分别是当驱动镜30相对于Mx轴摆动时最离轴视角处的照明光路、当驱动镜30的偏转角为0时的照明光路、以及与照明光路Fa相反的最离轴视角处的照明光路。照明光路Fc是用于测量到物体OBJ的距离的最离轴视角处的照明光路，而不是当驱动镜30摆动到最大时的照明光路。在驱动镜30倾斜并反射光的范围内，相对于变倍光学系统50的光轴，仅使用照明光路Fa、Fb和Fc中的各个照明光路的一侧，并且防止照明光垂直入射到变倍光学系统50中的光学元件。因此，在光学元件表面上产生的少量反射光没有到达光接收元件42的光接收面43，因此不会出现杂散光。

Fg表示当驱动镜30具有相对于Mx轴的最大偏转角时的照明光路。当照明光路Fg垂直地入射到变倍光学系统50中的光学元件时，来自光学元件的少量反射光穿过与照明光路Fg相同的光路，被分支部20反射，并且被检测器40检测为杂散光。照明光路Fc与照明光路Fg之间的视角是不出现杂散光的视角的余量(margin)。例如，将由于制造误差引起的偏离量设置为余量。

图7阐明了变倍光学系统50的光轴与驱动镜30之间的交点AXP从驱动镜30的中心32偏移，并且变倍光学系统50从驱动镜30偏心。当变倍光学系统50从驱动镜30偏心(将驱动镜30移位，使得驱动镜30的扫描视角的中心视角处的照明光中的主光线的光路与变倍光学系统50的光轴不一致)时，能够使来自照明光路Fg的杂散光偏心。由于该构造可以将不会出现杂散光的区域扩大到照明光路Fg外部的视角，因此可以使用照明光路Fc的照明光路Fg侧的方向来测量到物体OBJ的距离。当将照明光路Fb分配到照明光路Fg侧时，可以将照明光路Fa分配到变倍光学系统50的光轴中心侧，因此可以减小变倍光学系统50的有效直径，并且可以整体上使光学装置2紧凑。因此，驱动镜30的中心32和变倍光学系统50的光轴可以在驱动镜30上不一致。

由于本实施例提供了变倍光学系统50，因此对应于出射角的光束的发散角为1/β。即，H_I＝H_M/β成立，其中H_M是由驱动镜30反射的光束相对于水平面的发散角，H_I是从变倍光学系统50发射的光束相对于水平面的发散角。另外，V_I＝V_M/β成立，其中V_M是由驱动镜30反射的光束相对于垂直面的发散角，V_I是从变倍光学系统50发射的光束相对于垂直面的发散角。

驱动镜30绕穿过镜中心的Y轴，以频率“a”和单侧偏转角“b”摆动，并且还绕垂直于穿过镜中心的Y轴的Mx轴(由交替的长短虚线指示)，以频率“a'”(<a)和单侧偏转角b'摆动。

当驱动镜30通过移位最大的中心视角时，来自物体OBJ的反射光被驱动镜以θ_M角反射并被检测器40接收。此时，位置偏移了由f·tanθ_M表示的量，其中f是成像透镜41的焦距。

其中，T是距物体OBJ的距离，从照明光发射到物体OBJ到来自物体的反射光返回所花费的时间为t秒，即2T/c(c是光速)。驱动镜30的偏移在驱动镜30通过使驱动镜30移位最大的中心视角时(在偏转角θ为0时)最大，并且从b·sin(a·2π·t)的微分的最大值起偏移量θ_M被表达为2abπ。由驱动镜30的偏移引起的光接收面的位置偏移被表达为f·tan(2θ_M)。当由于成像位置的模糊而使实际成像区域相对于理想成像区域被以放大率g进行放大时，光接收元件42在相对于驱动镜30的快扫描方向沿光学等效方向的宽度H_R可以满足以下条件表达式：

H_R≥2×f×tan(H_I×β/2)＝2×f×tan(H_M/2)

H_R≤2×{f×tan(H_I×β/2)+f×tan(2θ_M)×g}＝2×{f×tan(H_M/2)+f×tan(2θ_M)×g}

例如，当光学装置2用于全自动驱动传感器时，只要能够测量到300m远的到物体OBJ的距离，就可以充分确定物体OBJ是静止、避开还是接近。由于水平视角可以为大约0.1°，因此将Hd'＝0.1和T＝300代入以上表达式，以计算光接收元件42的宽度H_R、成像透镜41的焦距f和变倍光学系统50的倍率β。聚焦点以g的比率变得比理想值大，但是相对于使照明区域按原样成像时的视角，将g限制为约1.5就足够了。

由于这种构造，减小了光接收元件42的尺寸，并且可以使除信号光之外的外部光最小化。即，根据本实施例的构造可以令人满意地检测从短距离到长距离的范围内的物体，而不管驱动镜30的偏转角和频率的状态如何。使用如本实施例中的变倍光学系统的构造在检测较远距离处的物体方面是有效的。

车载系统

图8示出了根据本实施例的光学装置1以及包括该光学装置1的车载系统(驾驶支持装置)1000的构造。车载系统1000是由诸如车辆或无人机的可移动的移动物体(移动装置)保持的装置，并且被构造为基于由光学装置1获取的车辆周围的物体(诸如障碍物或行人)的距离信息来支持车辆的驾驶(控制)。图9示意性地示出了包括车载系统1000的移动装置(以下称为车辆)500。尽管图9阐明了将光学装置1的距离测量范围(检测范围)设置在车辆500的前方的情况，但是可以将该距离测量范围设置在车辆500的后方或侧面。

如图8所示，车载系统1000包括光学装置1、车辆信息获取单元200、控制单元(ECU：电子控制单元)300和警报单元400。在车载系统1000中，光学装置1中包括的控制器60用作距离获取单元(获取器)和碰撞确定器。必要时，车载系统1000可以配设有与控制器60分离的距离获取单元和碰撞确定器，或者可以设置在光学装置1的外部(例如，车辆500的内部)。另选地，控制单元300可以用作控制器60。

图10是示出根据本实施例的车载系统1000的示例性操作的流程图。以下将参照该流程图描述车载系统1000的操作。

首先，在步骤S1中，控制器60通过利用光学装置1的光源单元对车辆周围的物体进行照明并接收来自物体的反射光，基于从光接收元件输出的信号来获取物体的距离信息。在步骤S2中，车辆信息获取单元200获取包括车辆速度、偏航率、转向角等的车辆信息。然后，在步骤S3中，控制器60使用在步骤S1中获取的距离信息和在步骤S2中获取的车辆信息，并且确定到物体的距离是否落在预设距离的范围内。

该构造可以确定在车辆周围的设置距离内是否存在物体，并且可以确定车辆与物体之间是否可能发生碰撞。步骤S1和S2可以以相反的顺序或并行地进行。当在设置距离内存在物体时，控制器60确定“可能发生碰撞”(步骤S4)，并且当在设置距离内不存在物体时，控制器60确定“不可能发生碰撞”(步骤S5)。

接下来，当控制器60确定“可能发生碰撞”时，控制器60将确定结果通知(发送)给控制单元300和警报单元400。然后，控制单元300基于控制器60的确定结果来控制车辆(步骤S6)，并且警报单元400基于控制器60的确定结果来警告车辆用户(驾驶员)(步骤S7)。确定结果的通知可以被发送到控制单元300和警报单元400中的至少一个。

控制单元300可以通过将控制信号输出到车辆的驱动设备(引擎、电机等)来控制车辆的移动。例如，产生控制信号以在车辆中施加制动，返回油门踏板，使方向盘转向，并在各车轮上产生制动力，以抑制引擎或电机的输出。警报单元400通过发出警报声音、通过在汽车导航系统的画面上显示警报信息或通过振动安全带或方向盘来警告驾驶员。

如上所述，根据本实施例的车载系统1000可以通过上述处理来检测物体并测量距离，并且避免车辆与物体之间的碰撞。特别地，应用于车载系统1000的根据上述各实施例的光学装置1可以高精度地测量距离，并因此高精度地检测物体并确定碰撞的可能性。

虽然本实施例将车载系统1000应用于驾驶支持(减少碰撞损伤)，但是本发明不限于本实施例，并且车载系统1000适用于巡航控制(包括以下功能)和自动驾驶。车载系统1000不仅适用于诸如汽车的车辆，而且适用于诸如船舶、飞机和工业机器人的移动物体。本发明不仅适用于移动物体，而且适用于利用物体识别的各种设备，诸如智能运输系统(ITS)和监视系统。

如果车辆500应当与障碍物碰撞，则车载系统1000或车辆500可以包括通知单元，该通知单元向车载系统的制造商、移动装置的经销商等通知碰撞。例如，通知单元可以使用如下设备，该设备通过电子邮件等将关于车辆500与障碍物之间的碰撞的信息(碰撞信息)发送到外部预设目的地。

由于通知单元自动通知碰撞信息的构造，因此可以在碰撞发生后迅速采取任何措施，诸如检查和维修。碰撞信息的目的地可以是保险公司、医疗机构、警方或用户任意设置的任何其他目的地。通知单元可以被构造为向目的地不仅通知碰撞信息，而且还通知各部件的故障信息和消耗品的消耗信息。可以使用基于上述光接收器的输出而获取的距离信息来检测碰撞，或者可以由其他检测器(传感器)来检测碰撞。

以上实施例可以提供无论驱动镜的状态如何，都可以令人满意地检测从短距离到长距离的范围内的物体的光学装置、车载系统和移动装置。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种光学装置，其包括：

偏转器，其被构造为，使来自光源单元的照明光偏转以扫描物体，并使来自所述物体的反射光偏转；

控制器，其被构造为控制所述偏转器；

光导元件，其被构造为将来自光源单元的照明光引导至所述偏转器，并将来自所述偏转器的反射光引导至光接收器；以及

变倍光学系统，其被构造为将来自所述偏转器的照明光引导到所述物体，并将来自所述物体的反射光引导至所述偏转器，

其特征在于，来自光源单元的单个光源的所述照明光在第一横截面中的第一发散角大于所述照明光在与所述第一横截面正交的第二横截面中的第二发散角，并且

其中，所述控制器控制所述偏转器，使得所述照明光以第一速度在所述第一横截面中移动，并且以高于所述第一速度的第二速度在所述第二横截面中移动。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，在所述光接收器的光接收面上，相对于所述照明光以所述第二速度移动的方向、所述光接收面上沿光学等效方向的长度，比相对于所述照明光以所述第一速度移动的方向、所述光接收面上沿光学等效方向的长度更长。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，在相对于所述照明光以所述第二速度移动的方向、光接收面上沿光学等效方向，所述光接收器的光接收面的中心与所述光接收器的中心偏心。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述变倍光学系统的光轴与所述偏转器的扫描视角的中心视角处的照明光的主光线不一致。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，满足以下条件表达式：

H_R≥2×f×tan(H_I×β/2)

H_R≤2×{f×tan(H_I×β/2)+f×tan(a×b×4π×2T/c)×g}

T≤300m

g≤1.5

其中，f是所述光接收器中包括的成像透镜的焦距，a和b是当所述偏转器的所述照明光以所述第二速度移动时所述偏转器的频率和最大偏转角，g是在所述光接收器的光接收面上实际成像区域相对于理想成像区域的放大率，β是所述变倍光学系统的倍率，H_I是第二发散角，T是从所述光学装置到所述物体的距离，c是光速，并且H_R是所述光接收面在相对于所述照明光以所述第二速度移动的方向、所述光接收面上沿光学等效方向的宽度。

6.一种包括根据权利要求1至5中的任一项所述的光学装置的车载系统，

其特征在于，所述车载系统基于由所述光学装置获得的所述物体的距离信息，确定车辆与所述物体是否能够相互碰撞。

7.根据权利要求6所述的车载系统，所述车载系统还包括：

控制单元，其被构造为，当确定所述车辆与所述物体能够相互碰撞时，输出控制信号以对所述车辆产生制动力。

8.根据权利要求6所述的车载系统，所述车载系统还包括：

警报单元，其被构造为，当确定所述车辆与所述物体能够相互碰撞时，警告所述车辆的驾驶员。

9.根据权利要求6所述的车载系统，所述车载系统还包括：

通知单元，其被构造为向外部通知关于所述车辆与所述物体之间的碰撞的信息。

10.一种包括根据权利要求1至5中的任一项所述的光学装置的移动装置，

其特征在于，所述移动装置在保持所述光学装置的同时可移动。

11.根据权利要求10所述的移动装置，所述移动装置还包括：

确定器，其被构造为，基于由所述光学装置获得的所述物体的距离信息，确定是否可能发生与所述物体的碰撞。

12.根据权利要求11所述的移动装置，所述移动装置还包括：

控制单元，其被构造为，当确定可能发生所述碰撞时，输出控制移动的控制信号。

13.根据权利要求11所述的移动装置，所述移动装置还包括：

警报单元，其被构造为，当确定可能发生与所述物体的所述碰撞时，警告所述移动装置的驾驶员。

14.根据权利要求10所述的移动装置，所述移动装置还包括：

通知单元，其被构造为向外部通知关于与所述物体的碰撞的信息。