CN113253467A - 光学装置、包括光学装置的车载系统以及移动装置 - Google Patents

光学装置、包括光学装置的车载系统以及移动装置 Download PDF

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Abstract

公开了光学装置、包括光学装置的车载系统以及移动装置。光学装置包括：偏转单元，被配置为使来自光源的照明光偏转以扫描对象，并使来自对象的反射光偏转；以及导光单元，被配置为将来自光源的照明光引导到偏转单元，并将来自偏转单元的反射光引导到光接收元件。导光单元包括第一光学元件、第二光学元件和至少一个固定构件，第一光学元件改变来自光源的照明光的直径，第二光学元件包括来自第一光学元件的照明光穿过的通过区域和反射来自偏转单元的反射光的反射区域，至少一个固定构件将第一光学元件和第二光学元件彼此固定。

Description

光学装置、包括光学装置的车载系统以及移动装置
技术领域
本公开涉及光学装置，该光学装置接收来自被照明的对象的反射光以检测对象。
背景技术
测量到对象的距离的已知距离测量装置通过经由偏转单元使来自光源的照明光偏转来扫描对象，并且然后基于直至从对象接收到反射光为止的持续时间以及反射光的相位来计算到对象的距离。
日本专利申请公开No.2012-68350讨论了一种距离测量装置，该距离测量装置包括棱镜，该棱镜在内表面上反射照明光或反射光中的任一个并且在外表面上反射另一个，以分别将照明光和反射光引导到偏转单元和光接收元件。
从距离测量装置中使用的典型光源发射的照明光的扩张角度在水平方向和垂直方向之间是不同的。为了良好的距离测量精度，照明光被整形。然而，难以利用日本专利申请公开No.2012-68350中讨论的其外表面被用于反射照明光的棱镜对照明光进行整形。
另一方面，虽然可以利用日本专利申请公开No.2012-68350中讨论的其内表面被用于反射照明光的棱镜对照明光进行整形，但在复杂形状的棱镜的外表面上形成透射区域和反射区域二者非常困难。
发明内容
本公开涉及提供容易被制造并对照明光进行良好整形的光学装置。
根据本发明的一方面，一种光学装置包括：偏转单元，被配置为使来自光源的照明光偏转以扫描对象，并使来自对象的反射光偏转；以及导光单元，被配置为将来自光源的照明光引导到偏转单元，并将来自偏转单元的反射光引导到光接收元件。导光单元包括第一光学元件、第二光学元件和至少一个固定构件，第一光学元件改变来自光源的照明光的直径，第二光学元件包括来自第一光学元件的照明光穿过的通过区域和反射来自偏转单元的反射光的反射区域，至少一个固定构件将第一光学元件和第二光学元件彼此固定。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1示意性图示根据第一示例性实施例的光学装置的主要部分。
图2A和图2B分别图示根据第一示例性实施例的光学装置中的照明光和反射光的光路。
图3示意性图示一般的半导体激光设备。
图4A和图4B示意性图示根据第一示例性实施例的导光单元的主要部分。
图5图示根据第一示例性实施例的P偏振光相对于导光单元的入射角度与反射率之间的关系。
图6示意性图示根据第二示例性实施例的光学装置的主要部分。
图7A和图7B示意性图示根据第二示例性实施例的导光单元的主要部分。
图8示意性图示根据第三示例性实施例的光学装置的主要部分。
图9A和图9B示意性图示根据第三示例性实施例的导光单元的主要部分。
图10示意性图示根据第四示例性实施例的光学装置的主要部分。
图11A和图11B示意性图示根据第五示例性实施例的导光单元的主要部分。
图12图示根据另一示例性实施例的车载系统的功能框图。
图13示意性图示根据本示例性实施例的车辆(移动装置)。
图14是图示根据本示例性实施例的车载系统的操作示例的流程图。
具体实施方式
以下，将参考附图来描述本发明的示例性实施例。为了描述的目的，可以以与实际比例不同的比例来图示每个附图。在每个附图中，类似的标号是指类似的构件，并将省略其冗余描述。
图1示意性图示了根据本发明的第一示例性实施例的包括光轴的截面(YZ截面)中的光学装置1的主要部分。光学装置1包括光源单元10、导光单元(分束单元)20、偏转单元30、光接收单元(第一光接收单元)40、用于光源的光接收单元(第二光接收单元)50和控制单元60。图2A和图2B图示了光学装置1中的光路。图2A图示了来自光源单元10的照明光朝着对象100行进所沿着的光路(照明光路)，并且图2B图示了来自对象100的反射光朝着光接收单元40行进所沿着的光路(光接收光路)。
光学装置1用作检测(捕获)对象100的检测装置(成像装置)，或者用作通过接收来自对象100的反射光来获取到对象100的距离(距离信息)的距离测量装置。根据本示例性实施例的光学装置1采用被称为光检测和测距(LiDAR)的技术，以基于直至光学装置1接收到来自对象100的反射光为止的持续时间以及反射光的相位来计算到对象100的距离。
光源单元10包括光源11、光学元件12和光圈13。光源11可以是具有高能量集中和方向性的半导体激光设备。例如，在光学装置1处于(下面描述的)车载系统的情况下，对象100可以包括人体。因此，光源11发射对人眼的影响小的红外光。由根据本示例性实施例的光源11发射的照明光具有在近红外区域中的905nm的波长。
图3示意性图示了一般的半导体激光设备以及从其发射的光束。如图3中图示的，作为光源11的半导体激光设备的有源层111发射在与有源层111的发光表面平行的xy截面中具有椭圆形状的发散光束。如果半导体激光11是线偏振光类型，那么光束的偏振方向(电场的振荡方向)与有源层111的上表面和下表面平行，即，在zx截面中的方向上。
光学元件12具有改变从光源11发射的照明光的会聚的功能。根据本示例性实施例的光学元件12是将从光源11发射的发散光束改变(准直)为平行光束的准直透镜(聚光元件)。在这种情况下，平行光束不仅包括严格平行的光束，而且包括诸如弱发散光束和弱会聚光束之类的近似平行的光束。
作为设置有开口的遮光构件的光圈13通过使来自光学元件12的照明光变窄来确定光束直径(光束宽度)。根据本示例性实施例的光圈13的开口形状是与照明光的形状对应的椭圆形。然而，开口形状不限于此，并且可以是并非椭圆形。根据本示例性实施例的光圈13的开口直径在X轴方向(长轴方向)上为1.50mm并且在Z轴方向(短轴方向)上为0.75mm。
导光单元20是分别形成如图2A和图2B中图示的照明光路和光接收光路的导光构件。导光单元20将来自光源单元10的照明光引导到偏转单元30，并将来自偏转单元30的反射光引导到光接收单元40。导光单元20包括棱镜(第一光学元件)21和分束元件(第二光学元件)22。棱镜21改变来自光源单元10的照明光的直径。分束元件22包括来自棱镜21的照明光所穿过的通过区域2221以及反射来自偏转单元30的反射光的反射区域2222。
棱镜21和分束元件22的材料各自相对于照明光的波长具有足够高的透射率。更具体地，材料各自相对于905nm波长具有1.70或更高的折射率。根据本示例性实施例的棱镜21和分束元件22的材料各自是相对于905nm波长的折射率为1.871的由OHARA公司提供的S-LAH92。棱镜21和分束元件22的材料可以彼此不同。
图4A和图4B示意性图示了根据本示例性实施例的导光单元20的主要部分。棱镜21和分束元件22各自具有透射和反射光束的多个光学表面。更具体地，棱镜21具有第一表面211、第二表面212和第三表面213，并且分束元件22具有第一表面221和第二表面222。图4A图示了与导光单元20的每个光学表面垂直的截面(YZ截面)，并且图4B图示了从法线方向观察的分束元件22的第一表面221和第二表面222。根据本示例性实施例，在YZ截面中，在棱镜21的第一表面211与第二表面212之间形成的角度α1为41.0度，并且在棱镜21的第一表面211与第三表面213之间形成的角度α2为78.4度。
棱镜21的第一表面211是来自光源单元10的照明光入射在其上的光学表面(光入射表面)，并且棱镜21的第二表面212是来自第一表面211的照明光从其发射的光学表面(光发射表面)。如上所述，由于光圈13的开口是椭圆形，因此将第一表面211上的照明光的光入射区域(通过区域)2111形成为椭圆形。第一表面211在除了来自光源单元10的照明光的光入射区域2111之外的区域中包括全反射区域2112。全反射区域2112将由棱镜21的第二表面212和分束元件22的每个光学表面反射的光全反射，以将光引导到棱镜21的第三表面213。抗反射膜可以被设置于光入射区域2111以减小反射率从而提高透射率，并且反射膜可以被设置于全反射区域2112。
分束元件22的第一表面221是来自棱镜21的第二表面212的照明光入射到其上的光学表面(光入射表面)。分束元件22的第二表面222是具有透射来自第一表面221的照明光的通过区域2221以及反射来自偏转单元30的反射光的反射区域2222的光学表面(光发射表面和反射表面)。根据本示例性实施例的通过区域2221是椭圆形状的透射照明光的透射区域。然而，配置不限于此。
例如，分束元件22可以设置有被用作通过区域2221的孔。如果导光单元20对照明光进行整形使得其截面具有除了椭圆形之外的形状(例如，圆形)，那么因此通过区域2221可以具有除了椭圆形之外的形状(例如，圆形)。通过区域2221可以设置有抗反射膜。根据本示例性实施例的反射区域2222设置有金属或电介质反射膜(反射层)。在反射膜的底部(底层)处设置有吸收来自棱镜21的光的吸收层。
已通过光圈13的开口的照明光从棱镜21的第一表面211进入棱镜21，穿透第二表面212，并行进到分束元件22。如上所述，本示例性实施例被配置为允许照明光进入棱镜21，并且然后将光引导到偏转单元30。这使得可以通过彼此不平行的第一表面211和第二表面212处的折射作用对照明光进行整形。因此，即使来自光源单元10的照明光的扩张角度(发散角度)在X方向和Z方向之间是不同的，光学装置1也提供良好的距离测量精度(检测精度)。
以下假定照明光不穿透棱镜21而是被棱镜21的外表面反射出去、并然后被引导到偏转单元30的情况。在这种情况下，来自光源单元10的照明光仅经由棱镜21的外表面行进到偏转单元30。在该情况下，为了对照明光进行整形，棱镜21的外表面是非球面(变形)表面。在该配置中，来自对象100的反射光也入射到其中非球面表面影响反射光的外表面上，从而难以获得良好的距离测量精度。
可替代地，可料想到的方法是通过在导光单元20和偏转单元30之间的照明光路中放置另一光学元件对照明光进行整形。然而，这种方法导致光学装置1中的部件数量增大，从而导致整个装置的复杂度和尺寸增大以及装置的组装和调整的难度增大。因此，为了获得良好的距离测量精度并同时实现光学装置1的简单性和紧凑性，如在本示例性实施例中那样，照明光进入棱镜21并经由棱镜21的多个光学表面被引导到偏转单元30。
在本示例性实施例中，已从第一表面211进入棱镜21的照明光被直接地引导到第二表面212，而没有经由其它表面行进。该配置使得能够通过使用棱镜21的最少数量的光学表面(即，仅经由第一表面211和第二表面212)对照明光进行整形。这减少了局部照明光被光学表面上的划痕和异物散射从而产生将进入分束元件22的不期望的光的可能性。
根据本示例性实施例，导光单元20包括多个光学元件。更具体地，导光单元20由改变照明光的直径的棱镜21以及将照明光引导到偏转单元30并将来自偏转单元30的反射光引导到光接收单元40的分束元件22构成。如上所述，棱镜21的第一表面211和第二表面212彼此不平行，以改变照明光的直径。在这种复杂的形状的棱镜21的外表面上以高精度设置通过区域和反射区域是非常困难的。
另一方面，不改变照明光的直径的分束元件22可以被形成为诸如平行板之类的简单形状。根据本示例性实施例的分束元件22的第一表面221和第二表面222彼此平行，并且分束元件22是平板。通过区域和反射区域可以被以高精度容易地设置于这种简单的形状的分束元件的外表面。另外，可以容易地同时制造多个分束元件22。例如，可以通过在基板上设置通过区域和反射区域并从基板切出多个分束元件22来减小制造成本。
另外，根据本示例性实施例的棱镜21和分束元件22通过固定构件29彼此“固定”(一体地保持)。彼此固定的棱镜21和分束元件22允许在光学装置1的制造过程中在导光单元20的安装中棱镜21和分束元件22的较高精度的定位。另外，该配置减少了由于振动或冲击而引起的单个构件的移位。根据本示例性实施例，棱镜21的第二表面212和分束元件22的第一表面221通过作为接合构件(粘合剂)的固定构件29接合，但固定构件29的配置不限于此。
例如，棱镜21和分束元件22可以利用施加到这两个构件的外表面的接合剂而彼此接合，或者可以通过利用夹持构件同时夹持这两个构件的外表面进行固定。为了修复和维修导光单元20，棱镜21和分束元件22可以被分离地彼此固定。另外，棱镜21和分束元件22可以被彼此固定，使得这两个构件之间的相对位置是可变的。例如，棱镜21和分束元件22可以通过使用可以容纳棱镜21和分束元件22两者的壳体构件或其形状可变的接合构件(例如，弹性接合构件)彼此固定。
固定构件29将棱镜21和分束元件22固定在照明光的通过区域之外。如果固定构件29部分地或整体地位于照明光的通过区域中或上方，那么因为固定构件29的性质随环境变化(温度和湿度变化)或随时间而改变，所以光学装置1可能具有较差的光学性能。例如，如果作为接合构件的固定构件29随着环境变化或随时间而变得混浊(clouded)，那么由于固定构件29的透射率的降低和/或固定构件29中的局部照明光的漫射，对象100可能被不足地照明。此外，在固定构件29中漫射的照明光(不期望的光)可能进入光接收单元40。
如上所述，在除了照明光的通过区域2221之外的区域上设置固定构件29使得能够防止光学性能受到固定构件29的性质变化的影响。在本示例性实施例中，如图4B中图示的，固定构件29被设置在分束元件22的第一表面221上的除了照明光的通过区域2221之外的位置处，更具体地，在第一表面221的四个角落处。固定构件29的布置不限于图4B中图示的布置，只要固定构件29被设置在除了照明光的通过区域2221之外的部分处即可。然而，为了稳定地固定棱镜21和分束元件22，固定构件29被设置在第一表面221上的至少三个位置处。为了更稳定，如优选的示例性实施例中那样，固定构件29被设置在第一表面221上的四个位置处。
将棱镜21和分束元件22接合到照明光的通过区域2221之外的位置在照明光的通过区域中在棱镜21的第二表面212与分束元件22的第一表面221之间创建间隙(间距)。为了缩小导光单元20的尺寸并提高光利用效率，第二表面212与第一表面221之间的距离被最小化。更具体地，导光单元20满足以下条件表达式(1)：
t<1.0mm (1)
其中，t是棱镜21与分束元件22之间的距离，即，第二表面212与第一表面221之间的距离。
如果距离t超过由条件表达式(1)表示的上限，那么导光单元20的尺寸可能增大，和/或导光单元20的光利用效率可能由于第二表面212和第一表面221之间的照明光的意外反射或量减少而降低。根据本示例性实施例，距离为t＝8μm，满足条件表达式(1)。另外，为了进一步减小导光单元20的尺寸和/或进一步减小导光单元20的光利用效率的降低，以下条件表达式(1a)和(1b)被依次满足：
t<0.1mm (1a)
t<0.05mm (1b)
(下面描述的)车载系统将距光学装置1大约1m(短距离)至大约300m(长距离)的范围内存在的对象检测为对象100。然而，随着从光学装置1到对象100的距离增大，来自对象100的反射光(信号光)的强度减小。例如，如果从光学装置1到对象100的距离增大10倍，那么由光学装置1接收到的反射光的强度减小大约1/100倍。
对象100的距离的测量(尤其是在远距离处)的精度可能显著地受到如上所述的不期望的光的影响。例如，不期望的光与由光接收单元40接收到的信号光的高比例阻碍信号光与不期望的光之间的区分，从而导致距离测量精度的大幅降低。一方面，可料想到的方法是，随着到对象100的距离增大而增大照明光的量(光源11的输出)，从而导致对象100对人眼的影响增大。
另一方面，根据本示例性实施例的具有简单配置的光学装置1在不增大照明光的量的情况下减小了不期望的光的出现，因此提供了良好的距离测量精度。除此之外，根据本示例性实施例的光学装置1即使在灵敏度比可见光传感器低的红外传感器作为光接收单元40的情况下也可以以高精度获取关于对象100的距离信息。
如上所述，棱镜21被配置为改变(变化)来自光源单元10的照明光的直径。在本示例性实施例中，当照明光穿过第一表面211和第二表面212时，YZ截面中的照明光的直径通过折射被扩大。更具体地，在YZ截面中，从通过区域2221发射的照明光的直径大于入射到第一表面211上的照明光的直径。
因此，可以通过增大照明光的直径来减小照明光的扩张角度，从而即使对象100存在于远处，也提供足够的照明和分辨能力。在本示例性实施例中，根据来自光源单元10的椭圆形照明光，仅YZ截面中的光束直径被扩大，但该方法不限于该配置。取决于照明光的形状和给定的检测信息，光束直径可以在YZ截面中减小或者在与YZ截面垂直的截面中变化。
当在YZ截面中，入射到棱镜21的第一表面211上的照明光的直径(光圈13的直径)由h1表示，从棱镜21的第二表面212发射的照明光的直径由h2表示，照明光相对于棱镜21的第一表面211的入射角度由θ1度表示，并且照明光相对于第一表面211的折射角度由θ2度表示，照明光相对于棱镜21的第二表面211的入射角度由θ3度表示，并且照明光相对于第二表面212的折射角度由θ4度表示时，基于斯涅尔定律(Snell's law)，由表达式(2)表示的以下关系成立：
h2/h1＝(cosθ2*cosθ4)/(cosθ1*cosθ3) (2)
当相对于棱镜21的第一表面211的入射角度θ1大于相对于棱镜21的第二表面212的折射角度θ4时，表达式(2)的两边的值大于1。这意味着，当表达式(2)的两边的值大于1时，照明光的直径被棱镜21扩大。在本示例性实施例中，h1＝0.75mm、h2＝1.425mm、θ1＝64.3度、θ2＝28.8度、θ3＝12.2度且θ4＝23.3度，并且表达式(2)的两边的值为1.90，这指示照明光的直径被扩大。
偏转单元30是使来自导光单元20的照明光偏转以扫描对象100并使来自对象100的反射光偏转以将反射光引导到导光单元20的构件。根据本示例性实施例的偏转单元30包括单个驱动镜(可移动镜)31。驱动镜31能够绕至少两个轴摆动(2轴驱动镜)，以使得能够二维地扫描对象100。例如，可以采用检流计镜或微机电系统(MEMS)镜作为驱动镜31。根据本示例性实施例的驱动镜31是MEMS镜，该镜具有绕X轴和Y轴的±15度的摆动角度和1kHz的摆动频率。
光接收单元(用于距离测量的光接收单元)40包括滤光器41、光学元件42和光接收元件(用于距离测量的光接收元件)43。滤光器41是仅透射期望的光并阻挡(吸收)其它不期望的光的构件。根据本示例性实施例的滤光器41是仅透射在与从光源11发射的照明光对应的波段中的光的带通滤波器。光学元件42是将穿过滤光器41的光会聚到光接收元件43的光接收表面上的聚光器透镜。滤光器41和光学元件42的配置不限于根据本示例性实施例的配置。例如，可以以相反的次序部署这两个构件，并且可以部署多个滤光器41和多个光学元件42。
光接收元件(第一光接收元件)43是接收来自光学元件42的光、将光光电转换为信号并输出信号的元件(传感器)。可以采用由光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)构成的光接收元件43。从被照明光照明的对象100反射的光被偏转单元30偏转并从分束元件22的反射区域2222反射出去，然后通过滤光器41和光学元件42进入光接收元件43。
来自棱镜21的第一表面211的局部照明光不穿透棱镜21的第二表面212和分束元件22的每个光学表面，而是从棱镜21的第二表面212和分束元件22的每个光学表面反射出去。无论通过区域2221中是否存在抗反射膜，都会出现该反射。图4A仅图示了从分束元件22的通过区域2221反射出去的光。从通过区域2221反射出去的光从棱镜21的第一表面211上的全反射区域2112全反射出去、从棱镜21的第三表面213出射，并且然后进入用于光源的光接收单元50。
用于光源的光接收单元50包括将来自光源11的照明光光电转换为信号并然后输出该信号的用于光源的光接收元件(第二光接收元件)51。例如，类似于光接收元件43的传感器可以被用作用于光源的光接收元件51。用于光源的光接收单元50可以包括将来自棱镜21的光引导到用于光源的光接收元件51的光接收表面的光学元件(滤波器或透镜)。
控制单元60控制光源11、驱动镜31、光接收元件43和用于光源的光接收元件51。例如，控制单元60是诸如中央处理单元(CPU)之类的处理单元(处理器)或包括该处理单元的计算单元(计算机)。控制单元60以预定的驱动电压和预定的驱动频率独立地驱动光源11和驱动镜31，并基于来自用于光源的光接收元件51的信号来控制光源11的输出(照明光的量)。例如，控制单元60控制光源11以将照明光改变为脉冲光，并对照明光执行强度调制以产生信号光。
控制单元60可以基于自从光源11发射照明光的时刻(照明时刻)直至光接收元件43接收到来自对象100的反射光的时刻(光接收时刻)为止的时间段来获取关于对象100的距离信息。在这种情况下，控制单元60可以以特定频率获取来自光接收元件43的信号。控制单元60可以不基于直至接收到来自对象100的反射光为止的持续时间而是基于来自对象100的反射光的相位来获取距离信息。更具体地，控制单元60可以发现光源11的信号相位与从光接收元件43输出的信号相位之间的差异(相位差)，然后将该相位差乘以光速以获取关于对象100的距离信息。
作为基于LiDAR的距离测量装置的光学装置1识别诸如车辆、乘客或障碍物之类的对象100，并适用于基于关于对象100的距离信息来控制设置有车载系统的车辆的车载系统。LiDAR可以与同轴系统或非同轴系统兼容。在同轴系统中，光源单元10与光接收单元40的光轴部分地彼此重合。在非同轴系统中，光轴彼此不重合。根据本示例性实施例的光学装置1包括利用同轴系统缩小整个装置的尺寸的导光单元20。
在本示例性实施例中，入射到入射区域2111上的照明光的行进方向与由反射区域2222反射的反射光的行进方向平行，这意味着行进方向平行于Y方向。更具体地，根据本示例性实施例的光源单元10和光接收单元40被部署为使得各个光轴彼此平行。该布置实现了装置的尺寸缩小。
光源11被部署为使得图3中图示的x轴与图1中图示的Z轴重合，并且图3中图示的y轴与图1中图示的X轴重合。光源11的部署使得能够将入射到第一表面211的入射区域2111上的照明光改变为电场在YZ截面中振荡的P偏振光。
图5图示了根据本示例性实施例的P偏振光相对于第一表面211的入射角度与反射率之间的关系。随着相对于第一表面211的入射角度从0度增大，P偏振光相对于第一表面211的反射率减小。反射率一度达到0，然后增大。P偏振光的反射率为0时的入射角度被称为布儒斯特角(Brewster's angle)。布儒斯特角θB由以下表达式(3)表示：
θB＝tan-1(N'/N) (3)
其中，N是P偏振光的相对于入射介质的折射率，并且N'是相对于光出射介质的折射率。
使照明光相对于第一表面211以接近布儒斯特角θB的入射角入射允许在不使用抗反射膜的情况下减小第一表面211上的光入射区域2111的反射率。这使得能够以简单的配置使照明光以高效率进入棱镜21。在这种情况下，棱镜21满足以下条件表达式(4)：
-10<θB-θ1<10 (4)
根据本示例性实施例，棱镜21的材料的布儒斯特角为61.9度，从而得到满足条件表达式(4)的θB-θ1＝-2.4度。另外，为了获得较低的反射率值，以下条件表达式(4a)和(4b)被依次满足：
-8.5<θB-θ1<8.5 (4a)
-7.5<θB-θ1<7.5 (4b)
根据本示例性实施例的光学装置1使得能够促进制造并良好地对照明光进行整形。
将描述第二示例性实施例。图6示意性图示了根据本发明的第二示例性实施例的在具有光学装置2的光轴的截面(YZ截面)中的光学装置2的主要部分。根据本示例性实施例的光学装置2与根据第一示例性实施例的光学装置1的不同之处在于导光单元20的配置、光源单元10的部署以及用于光源的光接收单元50的部署。其它配置与根据第一示例性实施例的光学装置1的配置类似，并且将省略其冗余描述。
根据本示例性实施例的导光单元20包括棱镜23、分束元件24和固定这两个构件的固定构件29。棱镜23和分束元件24的形状与根据第一示例性实施例的形状不同。根据本示例性实施例的棱镜23和分束元件24由HOYA公司提供的相对于905nm波长的折射率为1.972的TAFD55制成。根据本示例性实施例的光学装置2与根据第一示例性实施例的光学装置1的不同之处在于，从光源单元10进入导光单元20的照明光的行进方向(Z方向)与由导光单元20反射的光的行进方向(Y方向)垂直。更具体地，根据本示例性实施例的光源单元10和光接收单元40被部署为使得各个光轴彼此垂直。
图7A和图7B示意性图示了根据本示例性实施例的导光单元20的主要部分。图7A图示了与导光单元20的每个光学表面垂直的截面(YZ截面)，并且图7B图示了从法线方向观察的分束元件24的第一表面241和第二表面242。根据本示例性实施例，在YZ截面中，在棱镜23的第一表面231与第二表面232之间形成的角度α1(未图示)为12.7度。
棱镜23和分束元件24经由设置在棱镜23的第二表面232和分束元件24的第一表面241之间的固定构件29彼此接合。根据本示例性实施例，如图7B中图示的，固定构件29被设置在分束元件24的第一表面241上的除了照明光的通过区域2421之外的位置处，即，在第一表面241的两个纵向端部处。
已穿过光圈13的开口的照明光从第一表面231进入棱镜23、穿透第二表面232而不经由其它表面行进，并通过分束元件24的通过区域2421行进到偏转单元30。根据本示例性实施例中，h1＝1.00mm、h2＝2.27mm、θ1＝70.2度、θ2＝28.5度、θ3＝15.8度且θ4＝32.5度，并且表达式(2)的两边的值为2.27。因此，照明光的直径被棱镜23的第一表面231和第二表面232扩大。根据本示例性实施例，棱镜23的材料的布儒斯特角为63.1度，从而得到满足条件表达式(4)的θB-θ1＝-7.1度。
来自棱镜23的第一表面231的局部照明光不穿透棱镜23的第二表面232和分束元件24的每个光学表面，而是从棱镜23的第二表面232和分束元件24的每个光学表面反射出去。图7A仅图示了由分束元件24的通过区域2421反射的光。从通过区域2421反射出去的光穿透棱镜23的第一表面231、从棱镜23出射，并且然后进入用于光源的光接收单元50。与根据第一示例性实施例的棱镜21不同，根据本示例性实施例的棱镜23未设置有将反射光引导到用于光源的光接收单元50的第三表面。因此，与棱镜21相比，可以以较容易的方式(以较低的成本)制造棱镜23。
将描述第三示例性实施例。图8示意性图示了根据本发明的第三示例性实施例的在具有光学装置3的光轴的截面(YZ截面)中的光学装置3的主要部分。根据本示例性实施例的光学装置3与根据第一示例性实施例的光学装置1的不同之处在于导光单元20的配置、光源单元10的部署以及用于光源的光接收单元50的部署。其它配置与根据第一示例性实施例的光学装置1的配置类似，并且将省略其冗余描述。
根据本示例性实施例的导光单元20包括棱镜25、分束元件26和固定这两个构件的固定构件29。棱镜25和分束元件26的形状与根据第一示例性实施例的形状不同。根据本示例性实施例的棱镜25和分束元件26由SchottAG提供的相对于905nm波长的折射率为1.759的N-SF11制成。根据本示例性实施例的光学装置3与根据第二示例性实施例的光学装置2的类似之处在于，从光源单元10进入导光单元20的照明光的行进方向(Z方向)与由导光单元20反射的光的行进方向(Y方向)垂直。
图9A和图9B示意性图示了根据本示例性实施例的导光单元20的主要部分。图9A图示了与导光单元20的每个光学表面垂直的截面(YZ截面)，并且图9B图示了从法线方向观察的分束元件26的第一表面261和第二表面262。根据本示例性实施例的分束元件26设置有作为从棱镜25发射的照明光穿过的通过区域的孔2621。在根据本示例性实施例的棱镜25中，在YZ截面中，在第一表面251与第二表面252之间形成的角度α1为60.0度，在第一表面251与第三表面253之间形成的角度α2为120.0度，并且在第一表面251与第四表面254之间形成的角度α3为66.49度。
棱镜25和分束元件26经由设置在棱镜25的第二表面252和分束元件26的第一表面261之间的固定构件29彼此接合。根据本示例性实施例，如图9B中图示的，固定构件29被设置在分束元件26的第一表面261上的除了照明光的通过区域2621之外的位置处，即，在第一表面261上的四个角落处。
穿过光圈13的开口的照明光从第一表面251进入棱镜25、从第四表面254中反射出去、穿透第二表面252，并且然后通过分束元件26的孔2621行进到偏转单元30。照明光相对于第四表面254的入射角度θ5为37.0度，这大于棱镜25的材料的临界角度(34.6度)。因此，第四表面254满足全反射条件。
根据本示例性实施例，h1＝0.80mm、h2＝1.26mm、θ1＝60.0度、θ2＝29.5度、θ3＝16.5度且θ4＝30.0度，并且因此表达式(2)的两边的值为1.57。因此，照明光的直径被棱镜25的第一表面251和第二表面252扩大。根据本示例性实施例，棱镜25的材料的布儒斯特角为60.4度，从而得到满足条件表达式(4)的θB-θ1＝0.4度。
来自棱镜25的第一表面251的局部照明光不穿透棱镜25的第二表面252而是从棱镜25的第二表面252反射出去、穿透第三表面253、从棱镜25出射，并且然后进入用于光源的光接收单元50。
将描述第四示例性实施例。图10示意性图示了根据本发明的第四示例性实施例的在具有光学装置4的光轴的截面(YZ截面)中的光学装置4的主要部分。根据本示例性实施例的光学装置4与根据第一示例性实施例的光学装置1的不同之处在于，光学系统70被部署在偏转单元30和对象(未图示)之间。其它配置与根据第一示例性实施例的光学装置1的配置类似，并且将省略其冗余描述。
光学系统70是望远镜，该望远镜同时扩大了来自偏转单元30的照明光的直径并减小了来自对象的反射光的直径。根据本示例性实施例的光学系统70包括各自具有折光力的多个光学元件(透镜)，并且总体上形成没有折光力的无焦系统。更具体地，光学系统70包括靠近偏转单元30朝着对象依次部署的均为正透镜的第一透镜71和第二透镜72。光学系统70的配置不限于此，而是可以包括三个或更多个透镜。
根据本示例性实施例的驱动镜31被部署在光学系统70的入射光瞳的位置处。根据本示例性实施例的光学系统70的光学倍率(横向倍率)β的绝对值大于1(|β|>1)。该配置使从光学系统70发射的照明光的主光线的偏转角度小于由驱动镜31偏转以进入光学系统70的照明光的主光线的偏转角度，因而提高检测对象的分辨能力。
来自光源单元10的照明光通过导光单元20被偏转单元30偏转，并且照明光的直径通过光学系统70被扩大光学倍率β倍，并且然后照明对象。来自对象的反射光的直径通过光学系统70被减小光学倍率1/β倍。随后，反射光被偏转单元30偏转，并且然后到达光接收单元40。
光学系统70部署在对象和偏转单元30之间使得照明光的直径不仅能够通过导光单元20扩大而且通过光学系统70扩大。这样通过进一步增大照明光的直径而进一步减小照明光的扩张角度，从而即使对象100存在于远处，也确保足够的照明和分辨能力。利用光学系统70扩大光瞳直径使得能够从对象吸收较大量的反射光，从而使得可以提高可测量距离和距离测量精度。
将描述第五示例性实施例。图11A和图11B示意性图示了根据第五示例性实施例的光学装置中所包括的导光单元20的主要部分。图11A图示了与导光单元20的每个光学表面垂直的截面(YZ截面)，并且图11B图示了从法线方向观察的分束元件22的第一表面221和第二表面222。根据本示例性实施例的光学装置与根据第一示例性实施例的光学装置1的不同之处仅在于将棱镜21与分束元件22彼此固定的固定构件的配置。其它配置与根据第一示例性实施例的光学装置1的配置类似，并且将省略其冗余描述。
从光源11发射的光的一些性质随温度而变化。例如，半导体激光设备的振荡波长随温度而变化。更具体地，振荡波长在较高温度下改变(变换)为较长的波长，并且在较低温度下改变为较短的波长。如果出现这种波长变换，那么在来自光源11的照明光从其出射的棱镜21的第二表面处，折射角度θ4将改变。例如，即使光学装置的每个构件在制造中经历了位置调整，但是照明光和反射光的光路也可以随温度变化而改变，从而降低了距离测量精度。可料想到的方法是，扩大光接收元件43的光接收表面以防止由反射光的位置变换而导致的接收光的量的减少。然而，如果光接收表面被暴露于诸如日光之类的不期望的光，那么光接收元件43的光接收表面的扩大会在输出信息中产生噪声。
根据本示例性实施例，采用第一固定构件29a和第二固定构件29b作为将棱镜21与分束元件22彼此固定的固定构件29。第一固定构件29a和第二固定构件29b的线性膨胀系数彼此不同。根据本示例性实施例，第一固定构件29a的线性膨胀系数小于第二固定构件29b的线性膨胀系数。这允许当环境温度上升得较高时，在图11A中图示的YZ截面中棱镜21逆时针旋转，从而校正照明光的折射角度θ4的减小。
根据本示例性实施例，棱镜21被每个固定构件固定，使得棱镜21可以由于温度变化而在YZ截面中旋转，即，绕与X方向平行的轴旋转。然而，方法不限于此。换句话说，在温度变化的情况下的棱镜21的旋转轴可以不平行于X方向。然而，为了充分校正照明光的折射角度θ4的减小，棱镜21被固定为使得棱镜21可以绕在包含X方向分量的方向上(在包含与每个光学表面平行的分量的方向上)的轴旋转。
根据本示例性实施例，如图11B中图示的，第一固定构件29a被设置在与X方向垂直的方向上的分束元件22的第一表面221(棱镜21的第二表面212)的一个端部上的两个角落处，并且第二固定构件29b被设置在另一个端部上的两个角落处。然而，代替设置两个第一固定构件29a和两个第二固定构件29b，可以设置一个第一固定构件29a以及两个第二固定构件29b或一个第二固定构件29b以及两个第一固定构件29a。更具体地，当第一固定构件29a和第二固定构件29b被投影到与每个光学表面垂直的平面上时，第一固定构件29a相对于照明光被定位在一侧，并且第二固定构件29b相对于照明光被定位在另一侧。
因为折射角度θ4由于温度变化是增大还是减小取决于照明光相对于棱镜21的入射方向(每个构件的部署)，所以第一固定构件29a的线性膨胀系数与第二固定构件29b的线性膨胀系数之间的不等式关系可以根据入射方向来确定。根据本示例性实施例，棱镜21被第一固定构件29a和第二固定构件29b固定到分束元件22，并且来自光源11的照明光在棱镜21的第一表面211处被逆时针折射并在棱镜21的第二表面212处被进一步逆时针折射。因此，如上所述，棱镜21被配置为随着温度变化而逆时针旋转。
在本示例性实施例中，第一固定构件29a是具有1.00×10-5的线性膨胀系数的接合构件，并且第二固定构件29b是具有3.20×10-4的线性膨胀系数的接合构件。第一固定构件29a和第二固定构件29b各自具有0.45mm的厚度。第一表面221上的第一固定构件29a与第二固定构件29b之间的间隔为12mm。
当光源11的温度从22摄氏度升高至50摄氏度时，振荡波长从905nm变化至920nm，并且折射角度θ4减小0.02度。这导致第一固定构件29a与第二固定构件29b之间的厚度差为0.006mm，从而使棱镜21在YZ截面中逆时针旋转0.03度。结果，可以将折射角度θ4校正至与温度变化之前的角度θ4明显相同的水平。因此，这减小了由于因光源11的温度变化导致的波长变换而引起的接收光的量的降低。
[车载系统]
将描述另一示例性实施例。图12是图示了包括根据本示例性实施例的光学装置1的车载系统(驾驶辅助装置)1000的配置的功能框图。由诸如汽车(车辆)之类的移动体(移动装置)支撑的车载系统1000是基于由光学装置1获取的关于车辆周围的诸如障碍物或行人之类的对象的距离信息来辅助车辆的驱动(控制)的装置。图13示意性图示了包括车载系统1000的车辆500。图13图示了光学装置1的距离测量范围(检测范围)被设定为车辆500的前侧的情况。然而，距离测量范围可以被设定为车辆500的后侧或侧面。
如图12中图示的，车载系统1000包括光学装置1、车辆信息获取装置200、控制装置(电子控制单元(ECU))300和警告装置(警告单元)400。在车载系统1000中，光学装置1中所包括的控制单元60具有距离获取单元(获取单元)和碰撞确定单元(确定单元)的功能。然而，车载系统1000可以与控制单元60分开地包括距离获取单元和碰撞确定单元。这些单元可以被设置在光学装置1的外部(例如，车辆500的内部)。可替代地，控制装置300可以被用作控制单元60。
图14是图示了根据本示例性实施例的车载系统1000的操作示例的流程图。将参考流程图来描述车载系统1000的操作。
在步骤S1中，控制单元60基于由接收到来自车辆周围的对象的反射光的光接收单元40输出的信号来获取关于对象的距离信息，其中该对象被光学装置1的光源单元10照明。在步骤S2中，车辆信息获取装置200获取包括车辆的车速、偏航率和转向角的车辆信息。在步骤S3中，控制单元60使用在步骤S1中获取的距离信息和在步骤S2中获取的车辆信息来确定到对象的距离是否落在预设的距离范围内。
这使得可以确定对象是否存在于车辆周围的设定距离内，以确定车辆与对象之间的碰撞的可能性。步骤S1和S2可以以上述顺序的相反顺序执行，或者被并行地执行。如果对象存在于设定距离内(步骤S3为“是”)，那么处理前进至步骤S4。在步骤S4中，控制单元60确定“存在碰撞的可能性”。如果没有对象存在于设定距离内(步骤S3为“否”)，那么处理前进至步骤S5。在步骤S5中，控制单元60确定“不存在碰撞的可能性”。
如果控制单元60确定“存在碰撞的可能性”，那么控制单元60将确定结果通知控制装置300和警告装置400(向其发送确定结果)。在步骤S6中，控制装置300基于控制单元60的确定结果来控制车辆。在步骤S7中，警告装置400基于控制单元60的确定结果来警告车辆的使用者(驾驶员)。控制单元60将确定结果通知控制装置300或警告装置400中的至少一个。
控制装置300通过生成控制信号来控制车辆，例如，以施加制动、释放加速器、转动方向盘并在每个车轮上产生制动力以减小发动机和马达的动力。警告装置400例如通过发出警报声、在汽车导航系统的画面上显示警报信息以及使安全带或方向盘振动来警告驾驶员。
根据本示例性实施例的车载系统1000使得能够通过上述处理执行对象检测和距离测量，从而使得可以避免车辆与对象之间的碰撞。特别地，配备有根据示例性实施例的光学装置1的车载系统1000提供了高的距离测量精度，从而使得可以以高精度执行对象检测和碰撞确定。
尽管在本示例性实施例中，车载系统1000用作驾驶辅助(减少碰撞损害)，但该方法不限于此。车载系统1000可以用作巡航控制(包括全车速跟踪功能)和自动驾驶控制。车载系统1000可以不仅应用于诸如汽车之类的车辆，而且应用于诸如船和轮船、飞机和工业机器人之类的移动体。另外，车载系统1000可以不仅应用于移动体，而且应用于智能运输系统(ITS)、监视系统以及利用对象识别的其它各种装置。
车载系统1000和移动装置500可以包括通知装置(通知单元)，通知装置(通知单元)用于如果移动装置500与障碍物碰撞，那么将碰撞通知车载系统1000的制造商(制造方)和移动装置500的销售商(经销商)。例如，通过电子邮件将关于移动装置500与障碍物之间的碰撞的信息(碰撞信息)发送到预设的外部通知目的地的这种装置可以被用作通知装置。
经由通知装置自动地通知碰撞信息的这种配置允许在发生碰撞之后快速地采取诸如检查或修复之类的措施。碰撞信息的通知目的地可以包括保险公司、医疗机构、警察以及用户设定的任何其它目的地。通知装置可以被配置为不仅将碰撞信息而且将关于每个部分的故障信息和关于消耗品的消耗信息通知给通知目的地。可以利用基于来自上述光接收单元40的输出而获取的距离信息或者经由其它检测单元(传感器)来检测碰撞的存在或不存在。
其它示例性实施例
尽管已基于上述示例性实施例具体描述了本发明，但本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内包括各种组合、修改和以各种方式的改变。
例如，其它光学元件可以被部署在导光单元20和偏转单元30之间的光路中。然而，为了进一步减少上述不期望的光的出现，如在上述示例性实施例那样，在导光单元20和偏转单元30之间的光路中不部署任何东西。换句话说，可以采用来自分束元件22的透射区域的照明光在不经由其它表面行进的情况下入射到驱动镜31上的配置。
尽管在每个示例性实施例中单独的构件被一体化(一体地保持)，但它们可以被分开地配置。例如，光源单元10和光接收单元40能附接到导光单元20或偏转单元30，并能从导光单元20或偏转单元30拆卸。在这种情况下，保持每个构件的保持构件(壳体)设置有彼此连接的连接部(接合部)。对于该配置，为了提高光源单元10与导光单元20之间的定位精度，光圈13可以被设置在导光单元20中，并且被保持导光单元20的保持构件保持。
尽管在每个示例性实施例中平行板被用作分束元件22，但是第一表面221和第二表面222可以彼此不平行。然而，如上所述，在第一表面221和第二表面222之间形成的角度窄，以促进导光单元20的制造。此外，尽管在每个示例性实施例中，分束元件22的与棱镜21相对的光学表面(第二表面222)(较靠近偏转单元30)具有反射区域，但分束元件22的第一表面221可以具有反射区域。然而，为了减小每个光学表面上的划痕和异物的影响，如在每个示例性实施例中那样，分束元件22的第二表面222具有反射区域。
尽管棱镜21和分束元件22的每个光学表面是平坦的，但是至少一个光学表面可以是曲面。然而，每个光学表面是平坦的以促进导光单元20的制造。尽管在第五示例性实施例中，采用了彼此具有不同的线性膨胀系数的两个固定构件，但可以采用彼此具有不同的线性膨胀系数的三个或更多个固定构件。
其它实施例
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但要理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
偏转单元，被配置为使来自光源的照明光偏转以扫描对象，并且使来自对象的反射光偏转；以及
导光单元，被配置为将来自光源的照明光引导到偏转单元，并且将来自偏转单元的反射光引导到光接收元件，
其中，导光单元包括第一光学元件、第二光学元件和至少一个固定构件，所述第一光学元件改变来自光源的照明光的直径，所述第二光学元件包括来自第一光学元件的照明光穿过的通过区域和反射来自偏转单元的反射光的反射区域，所述至少一个固定构件将第一光学元件和第二光学元件彼此固定。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个固定构件将第一光学元件和第二光学元件固定在通过区域外。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个固定构件包括第一固定构件和第二固定构件，第一固定构件的线性膨胀系数与第二固定构件的线性膨胀系数不同。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述至少一个固定构件是将第一光学元件和第二光学元件彼此接合的接合构件。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，以下条件表达式被满足：
t<1.0mm，
其中，t是第一光学元件与第二光学元件之间的距离。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，第一光学元件包括第一表面和第二表面，来自光源的照明光入射到所述第一表面上，来自第一表面的照明光从所述第二表面朝着第二光学元件出射。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，来自第一表面的照明光入射到第二表面上，所述照明光不经由任何其它表面行进。
8.根据权利要求6所述的光学装置，其中，在与第一表面和第二表面垂直的截面中，从第二表面发射的照明光的直径大于入射到第一表面上的照明光的直径。
9.根据权利要求6所述的光学装置，其中，第一光学元件包括第三表面，由第二表面或通过区域中的至少一个反射的光入射到所述第三表面上。
10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，第一表面反射由第二表面或通过区域中的至少一个反射的光，并且然后将所述光引导到第三表面。
11.根据权利要求6所述的光学装置，还包括：用于光源的光接收单元，所述用于光源的光接收单元被配置为接收由第二表面或通过区域中的至少一个反射的光。
12.根据权利要求6所述的光学装置，其中，以下条件表达式被满足：
-10<θB-θ1<10,
其中，在与第一表面和第二表面垂直的截面中，θ1(度)是照明光相对于第一表面的入射角度，并且θB(度)是第一表面的布儒斯特角。
13.根据权利要求1所述的光学装置，其中，反射区域在第二光学元件的与第一光学元件相对的光学表面上。
14.根据权利要求1所述的光学装置，其中，来自通过区域的照明光进入偏转单元，所述照明光不经由任何其它表面行进。
15.根据权利要求1所述的光学装置，还包括控制单元，所述控制单元被配置为基于光接收元件的输出来获取关于对象的距离信息。
16.一种包括根据权利要求1至15中任一项所述的光学装置的车载系统，其中，基于由光学装置获得的关于对象的距离信息来确定车辆与对象之间的碰撞的可能性。
17.根据权利要求16所述的车载系统，还包括控制装置，所述控制装置被配置为响应于确定在车辆与对象之间存在碰撞的可能性来输出在车辆中产生制动力的控制信号。
18.根据权利要求16所述的车载系统，还包括警告装置，所述警告装置被配置为响应于确定在车辆与对象之间存在碰撞的可能性来警告车辆的驾驶员。
19.根据权利要求16所述的车载系统，还包括通知装置，所述通知装置被配置为将关于车辆与对象之间的碰撞的信息通知外部。
20.一种移动装置，包括根据权利要求1至17中任一项所述的光学装置，其中，移动装置能够在光学装置被保持在移动装置上的情况下移动。
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