CN113448081A - 光学装置、车载系统和移动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光学装置、车载系统和移动装置。光学装置包括：偏转器，被配置为使来自光源单元的照明光偏转以便扫描对象，并且被配置为使来自对象的反射光偏转；导光件，被配置为将来自光源单元的照明光的一部分引导到偏转器，将其它部分引导到第一光接收元件，并且将来自偏转器的反射光引导到第二光接收元件；以及光学元件，具有设置在导光件和第二光接收元件之间的光学表面。光学表面相对于照明光的主光线倾斜或偏心。

Description

光学装置、车载系统和移动装置
技术领域
本发明涉及通过接收来自被照明的对象的反射光来检测对象的光学装置。
背景技术
LiDAR(光检测和测距)是一种用于测量到对象的距离的已知方法，并且基于来自被照明的对象的反射光的接收时间或反射光的相位来计算距离。日本专利No.4476599公开了用于基于在光接收元件接收来自对象的反射光时偏转器(驱动镜)的角度以及从光接收元件获得的信号来测量对象的位置和距离的配置。
除了用于测量距离的光学系统和光接收元件之外，使用LiDAR的装置还可以使用用于检测照明定时并测量发射光量的光学系统和光接收元件。在这种情况下，距离测量所不需要的光可能在装置内部生成并且使光接收元件的信号饱和。特别地，因为在由不需要的光导致的信号饱和被重置之前接收来自对象的反射光，所以难以将不需要的光与来自近距离对象的反射光彼此区分开。结果，不能精确地测量到对象的距离。
发明内容
本发明提供了各自可以抑制不需要的光被光接收元件接收的光学装置、车载系统(车载化系统)和移动装置。
根据本发明的一个方面的一种光学装置包括：偏转器，被配置为使来自光源单元的照明光偏转以便扫描对象，并且被配置为使来自对象的反射光偏转；导光件，被配置为将来自光源单元的照明光的一部分引导到偏转器，将其它部分引导到第一光接收元件，并且将来自偏转器的反射光引导到第二光接收元件；以及光学元件，具有设置在导光件和第二光接收元件之间的光学表面。光学表面相对于照明光的主光线倾斜或偏心。
根据本发明的其它方面的一种光学装置包括：偏转器，被配置为使来自光源单元的照明光偏转以便扫描对象，并且被配置为使来自对象的反射光偏转；以及导光件，被配置为将来自光源单元的照明光的一部分引导到偏转器，将其它部分引导到第一光接收元件，并且将来自偏转器的反射光引导到第二光接收元件。第一光接收元件的光接收表面相对于照明光的主光线倾斜。
各自具有以上光学装置的车载系统和移动装置也构成本发明的其它方面。
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是根据第一实施例的距离测量装置的示意图。
图2图示设置在分离器处的区域。
图3A至图3C图示第一实施例中的光路。
图4A和图4B图示来自第一实施例中的第二检测器的不需要的光到达第一检测器的光路以及来自第二检测器的不需要的光与第一检测器分离的光路。
图5是根据第二实施例的距离测量装置的示意图。
图6图示倍率变化光学系统与驱动镜之间的关系。
图7A至图7C图示第二实施例中的光路。
图8A和图8B图示来自第二实施例中的第二检测器的不需要的光到达第一检测器的光路以及来自第二检测器的不需要的光与第一检测器分离的光路。
图9是根据该实施例的车载系统的配置图。
图10是根据该实施例的车辆(移动装置)的示意图。
图11是示出根据该实施例的车载系统的操作示例的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，将给出根据本发明的实施例的详细描述。各个图中的对应元件将由相同的附图标记指定，并且将省略其重复描述。
使用LiDAR的距离测量装置包括照明对象的照明系统以及接收来自对象的反射光或散射光的光接收系统。LiDAR具有照明系统与光接收系统的光轴彼此部分地重合的同轴系统以及光轴完全没有彼此重合的非同轴系统。根据该实施例的距离测量装置适合于同轴LiDAR。
第一实施例
图1是根据该实施例的距离测量装置(光学装置)1的示意图。距离测量装置1包括光源单元10、分离器(导光件)20、驱动镜(偏转器)30、第一检测器40、第二检测器50和控制器100。
光源单元10包括光源11和准直器12，该准直器12使来自光源11的发散光成为基本上平行的光。
驱动镜30是二维扫描驱动镜，该驱动镜30绕穿过镜的中心的与Y轴平行的轴以及由交替的长短虚线指示的并与Y轴正交的Mx轴旋转地驱动。驱动镜30使来自光源单元10的照明光偏转以便扫描对象(物体)，并使来自对象的反射光偏转以便将光引导到分离器20。
分离器20将来自光源单元10的照明光的一部分引导到驱动镜30，并将照明光的其它部分引导到第二检测器50。分离器20将来自驱动镜30的反射光引导到第一检测器40。
分离器20包括具有平板形状的光学元件。如图2中图示的，分离器20的驱动镜30侧的表面A具有透射来自光源单元10的照明光的一部分(大部分)并反射其它部分的区域21以及反射来自驱动镜30的反射光的区域22。当从光源单元10侧观察时，区域21小于驱动镜30的有效直径，并且穿过区域21的照明光落在驱动镜30的有效直径内。区域22具有被配置为充分地反射由驱动镜30反射的来自对象的反射光或散射光的有效直径。
在该实施例中，分离器20包括具有平板形状的光学元件，但本发明不限于该示例。分离器20可以包括具有彼此不平行的多个光学表面的多面体形状的光学元件(棱镜)，或者可以包括具有平板形状的光学元件和具有多面体形状的光学元件。
第一检测器40包括成像透镜41、光接收元件(第二光接收元件)42和未图示的带通滤波器。光接收元件42通过驱动镜30和分离器20接收从对象反射或散射的光。
第二检测器50包括成像透镜51、光接收元件(第一光接收元件)52和中性密度(“ND”)滤波器(调暗元件(dimming element))53。由分离器20反射的照明光被ND滤波器53调暗、穿过成像透镜51，并被光接收元件52接收。第二检测器50具有与来自对象的反射光的检测不同的作用，并且例如被用于检测照明定时并测量照明光量。在该实施例中，光接收元件52的类型不同于光接收元件42。例如，一个可以被设定为使用雪崩光电二极管(APD)的传感器，而另一个可以被设定为使用其它常见的光电二极管的传感器。一个可以被设定为CMOS传感器，而另一个可以被设定为CCD传感器。ND滤波器53具有平板形状、设置在分离器20和光接收元件52之间，并且相对于由点划线表示的由分离器20反射的来自光源部10的照明光的主光线倾斜(不垂直)。这里，相对于照明光的主光线倾斜是指包括相对于照明光的主光线倾斜的光学表面。换句话说，光学表面上的照明光的主光线的入射点处的法线与主光线不平行。
控制器100控制光源单元10的发光参数、驱动镜30的驱动以及第一检测器40和第二检测器50的光接收参数。
图3A至图3C图示了该实施例中的光路。图3A图示了来自光源单元10的照明光的一部分穿过分离器20的区域21、在由驱动镜30扫描的同时被反射，并照明对象OBJ。图3B图示了来自光源单元10的照明光的其它部分被分离器20的区域21反射并被第二检测器50会聚。图3C图示了来自对象OBJ的反射光或散射光被驱动镜30反射、在分离器20的区域22中被反射并被第一检测器40会聚。由于该配置，可以在不添加任何光学元件的情况下使用于与距离测量不同的目的的光学系统较小。
这里，在图3B中的光路中，来自ND滤波器53的反射光或散射光(下文中，不需要的光)有可能被光接收元件42接收。如果如图4A中图示的，ND滤波器53基本上与由分离器20反射的照明光的主光线垂直，则不需要的光穿过分离器20的区域21并且容易由光接收元件42接收。在光源单元的输出被设定为1的情况下，不需要的光可以被抑制为低至10-8或更小。在分离器20的区域21具有5％的反射率并且ND滤波器53具有5％的反射率的情况下，不需要的光为约2.5×10-3，这比不需要的光的容许值10-8高得多。
在该实施例中，如图4B中图示的，ND滤波器53相对于由分离器20反射的照明光的主光线倾斜，并且因此大部分的不需要的光没有穿过分离器20的区域21并且到达其它地方。因此，大部分的不需要的光可以与第一检测器40分离。例如，θ＞tan(d/2f)可以被满足，其中f(mm)是成像透镜41的焦距，
Figure BDA0002983735200000051
(mm)是光接收元件42的尺寸，并且θ(度)是不需要的光相对于由分离器20反射的照明光的主光线的倾斜角度。在这种情况下，不需要的光与光接收元件42分离(或者不被光接收元件42接收)。更具体地，在成像透镜41的焦距为20mm并且光接收元件42的尺寸为500μm的情况下，倾斜角度θ可以大于0.72度。
为了抑制由ND滤波器53生成的不需要的光碰撞镜筒等并导致出现来自镜筒等的强返回光，可以在由ND滤波器53反射的不需要的光的反射光路上设置漫射不需要的光的漫射器以及吸收不需要的光的吸收器。
如上所述，该实施例中的配置可以利用用于与距离测量不同的目的的光学系统精确地测量距离。
该实施例使ND滤波器53倾斜并抑制由ND滤波器53生成的不需要的光被光接收元件42接收，但本发明不限于该示例。例如，当在分离器20和光接收元件52之间设置诸如漫射元件或带通滤波器之类的其它光学元件时，所设置的光学元件可以被倾斜。成像透镜51可以被倾斜。
为了抑制由设置在分离器20和光接收元件52之间的光学元件生成的不需要的光被光接收元件42接收，该实施例使光学元件倾斜，本发明不限于该示例。光学元件可以相对于由分离器20反射的照明光的主光线偏心。换句话说，光学元件中包括的光学表面上的表面顶点和照明光的主光线的入射点可以彼此间隔开。由此，可以获得与本发明的效果相同的效果。例如，成像透镜51可以是偏心的(或离心的)。
光接收元件52可以相对于照明光的主光线倾斜，换句话说，光接收元件52的光接收表面上的照明光的主光线的入射点处的法线可以与主光线不平行。由此，可以抑制在光接收元件52的光接收表面上被规则地反射的不需要的光被光接收元件42接收。可以组合三个方法-即，使光学元件倾斜、使光学元件离心以及使光接收元件52倾斜中的两个或更多个。
第二实施例
图5是根据该实施例的距离测量装置1的示意图。根据该实施例的距离测量装置1与第一实施例中的距离测量装置1的不同之处在于，分离器20不是平板形状，而是具有多个表面的多面体棱镜，以及在于具有部署在驱动镜30的发光侧的倍率变化光学系统60。倍率变化光学系统60在整个系统中没有折光力，并将来自驱动镜30的照明光引导到对象OBJ并将来自对象OBJ的反射光引导到驱动镜30。由于其它配置与第一实施例的其它配置相同，因此将省略其详细描述。
图6图示了倍率变化光学系统60与驱动镜30之间的关系，并且在图5的配置中，在YZ平面中图示了在驱动镜30的发光侧的配置。Fa、Fb和Fc分别是当驱动镜30相对于Mx轴摆动时具有最外视角的照明光路、当驱动镜30的摆动角度为0时的照明光路以及在照明光路Fa相对侧具有最外视角的照明光路。照明光路Fc是用于测量到对象OBJ的距离的具有最外轴视角的照明光路，而不是当驱动镜30摆动到最大时的照明光路。在驱动镜30的倾斜和反射范围内，照明光路Fa、Fb和Fc相对于倍率变化光学系统60的光轴仅使用一侧，以便防止照明光垂直地进入倍率变化光学系统60的光学元件。因此，在光学元件表面上生成的微量反射光没有到达光接收元件42的光接收表面，并且没有出现杂散光。
Fg表示当驱动镜30相对于Mx轴具有最大摆动角度时的照明光路。当照明光路Fg垂直地入射在倍率变化光学系统60的光学元件上时，来自光学元件的少量反射光通过与照明光路Fg相同的光路被分离器20反射，并被第一检测器40检测为杂散光。照明光路Fc与照明光路Fg之间的视角是没有出现杂散光的视角的余裕(margin)。例如，由制造误差而偏离的量可以被设置为余裕。
图6图示了倍率变化光学系统60的光轴和驱动镜30的交点AXP相对于驱动镜30的中心32偏移。即，倍率变化光学系统60的光轴相对于驱动镜30的中心位置偏心(驱动镜30被放置在驱动镜30的偏转表面上，使得照明光的主光线的入射点与倍率变化光学系统60的光轴彼此间隔开)。由此，可以使来自照明光路Fg的杂散光离心。由于没有出现杂散光的区域可以被扩大直至照明光路Fg之外的视角，因此从照明光路Fc到朝向照明光路Fg的方向的区域可以被用于测量到对象OBJ的距离。当照明光路Fb被分配到照明光路Fg侧时，照明光路Fa可以被分配给倍率变化光学系统60的光轴中心侧，使得可以减小倍率变化光学系统60的有效直径并且可以使距离测量装置1整体较小。因此，期望的是，驱动镜30的中心32与倍率变化光学系统60的光轴在驱动镜30上可以彼此不重合。
如图5中图示的，在该实施例中，分离器20是多边形光学元件。类似于第一实施例中的分离器20，分离器20在驱动镜30侧的表面A具有透射来自光源单元10的照明光的一部分(大部分)并反射其它部分的区域21以及反射来自驱动镜30的反射光的区域22。
图7A至图7C图示了该实施例中的光路。图7A图示了来自光源单元10的照明光的一部分进入分离器20并被折射、穿过分离器20的区域21、在由驱动镜30扫描的同时被反射，并照明对象OBJ。图7B图示了来自光源单元10的照明光的其它部分进入分离器20并被折射、在分离器20的区域21中被反射，并且在通过反射和折射而在分离器20中转向的同时被会聚在第二检测器50上。图7C图示了来自对象OBJ的反射光或散射光被驱动镜30反射、在分离器20的区域22中被反射并被会聚在第一检测器40上。由于该配置，穿过该实施例的分离器20的光束具有在XZ平面上减小或扩大的光束直径，同时发散角度扩大或减小。
这里，在图7B中的光路中，来自ND滤波器53的反射光或散射光(下文中，不需要的光)有可能被光接收元件42接收。如果如图8A中图示的，ND滤波器53基本上与由分离器20反射的照明光的主光线垂直，则不需要的光穿过分离器20的区域21并被光接收元件42接收。
在该实施例中，如图8B中图示的，ND滤波器53相对于由分离器20反射的照明光的主光线倾斜，因此大部分的不需要的光没有穿过区域21并且移动到其它地方。因此，大部分的不需要的光可以远离第一检测器40。
如上所述，根据该实施例的配置可以利用用于与距离测量不同的目的的光学系统精确地测量距离。
车载系统
图9是根据该实施例的距离测量装置1和包括距离测量装置1的车载系统(驾驶支持设备)1000的配置图。车载系统1000是由诸如汽车(车辆)之类的可移动体(移动装置)保持的装置，并被配置为基于由距离测量装置1获取的车辆周围的诸如障碍物或行人之类的对象的距离信息来支持车辆的驾驶(操控)。图10是包括车载系统1000的车辆500的示意图。图10图示了距离测量装置1的距离测量范围(检测范围)被设定为车辆500的前方，但是距离测量范围可以被设定为车辆500的后方或侧面。
如图9中图示的，车载系统1000包括距离测量装置1、车辆信息获取设备200、控制设备(ECU：电子控制单元)300和警告设备(警告单元)400。在车载系统1000中，距离测量装置1中包括的控制器100用作距离获取器(获取器)和碰撞确定器(确定器)。然而，如有需要，车载系统1000可以设置有与控制器100分离的距离获取器和碰撞确定器，并且各自可以设置在距离测量装置1的外部(例如，车辆500的内部)。可替换地，控制设备300可以被用作控制器100。
图11是示出根据该实施例的车载系统1000的操作示例的流程图。现在，将沿着该流程图给出车载系统1000的操作的描述。
首先，在步骤S1中，距离测量装置1中的光源单元10照明车辆周围的对象，并且控制器100基于由光接收元件42通过接收来自对象的反射光而输出的信号来获取对象OBJ的距离信息。在步骤S2中，车辆信息获取设备200获取包括车速、偏航率、转向角度等的车辆信息。然后，在步骤S3中，控制器100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OBJ的距离是否被包括在预设距离范围中。
该配置可以确定在车辆周围的设定距离内是否存在对象，并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次序执行，或者可以被彼此并行地处理。控制器100在设定距离内存在对象时确定碰撞是可能的(步骤S4)，并且在设定距离内不存在对象时确定碰撞是不可能的(步骤S5)。
接下来，当控制器100确定碰撞是可能的时，控制器100将确定结果通知(发送)给控制设备300和警告设备400。此时，控制设备300基于控制器100的确定结果来控制车辆(步骤S6)，并且警告设备400基于控制器100的确定结果来警告车辆的用户(驾驶员)(步骤S7)。确定结果可以被通知给控制设备300和警告设备400中的至少一个。
控制设备300可以通过向车辆的诸如发动机和马达之类的驱动器输出控制信号来控制移动车辆。例如，车辆进行控制并生成用于施加制动、返回加速器、转动方向盘以及对每个车轮施加制动力的控制信号，以抑制发动机或马达的输出。警告设备400例如通过发出警告声音、通过在汽车导航系统的画面上显示警告信息或者通过使安全带或方向盘振动来警告驾驶员。
因此，根据该实施例的车载系统1000可以使用以上处理来检测对象并测量距离，并且可以避免车辆与对象之间的碰撞。特别地，通过将根据以上实施例中的每个实施例的距离测量装置1应用于车载系统1000，可以精确地测量距离，可以精确地检测对象并可以精确地确定碰撞。
该实施例将车载系统1000应用于驾驶支持(以减轻碰撞损害)，但本发明不限于该示例。车载系统1000可以应用于巡航控制(包括全车速跟踪功能)和自动驾驶。车载系统1000不仅可应用于诸如汽车之类的车辆，而且可应用于诸如轮船、飞机或工业机器人之类的移动体。车载系统1000还不仅可应用于移动体，而且可应用于使用诸如智能运输系统(ITS)和监视系统之类的物体识别的各种设备。
车载系统1000和移动装置可以包括通知设备(通知器)，该通知设备用于将移动装置与障碍物碰撞的事实通知车载系统的制造商和移动装置的销售商(经销商)。例如，通知设备可以通过电子邮件等将关于移动装置与障碍物之间的碰撞的信息(碰撞信息)发送到预设的外部目的地。
因此，使用通知设备自动地通知碰撞信息的配置可以在碰撞发生之后迅速地提供诸如检查和修理之类的措施。碰撞信息的目的地可以被设定为保险公司、医疗机构、警察或用户可以设定的任意地方。通知设备可以被配置为除了碰撞信息之外还将每个零件的故障信息和消耗品的消耗信息通知目的地。可以基于根据来自上述的光接收器的输出而获取的距离信息或基于其它检测器(传感器)来检测碰撞的存在或不存在。
以上实施例中的每个可以提供各自可以抑制不需要的光被光接收元件接收的光学装置、车载系统和移动装置。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随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，包括：
偏转器，被配置为使来自光源单元的照明光偏转以便扫描对象，并且被配置为使来自对象的反射光偏转；
导光件，被配置为将来自光源单元的照明光的一部分引导到偏转器，将其它部分引导到第一光接收元件，并且将来自偏转器的反射光引导到第二光接收元件；以及
光学元件，具有设置在导光件和第二光接收元件之间的光学表面，其特征在于，光学表面相对于照明光的主光线倾斜或偏心。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，光学元件具有平板形状，并且光学表面相对于主光线倾斜。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，光学元件是调暗元件。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，光学元件包括透镜，并且光学表面相对于主光线偏心。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，导光件透射照明光的一部分，反射照明光的其它部分，并且反射来自偏转器的反射光。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，导光件包括具有平板形状的光学元件。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，导光件包括具有彼此不平行的多个光学表面的光学元件。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，导光件包括具有平板形状的光学元件以及具有彼此不平行的多个光学表面的光学元件。
9.根据权利要求1所述的光学装置，还包括漫射器，所述漫射器被配置为漫射由光学元件反射的照明光。
10.根据权利要求1所述的光学装置，还包括吸收器，所述吸收器被配置为吸收由光学元件反射的照明光。
11.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，第一光接收元件和第二光接收元件是不同类型的光接收元件。
12.根据权利要求1所述的光学装置，还包括光学系统，所述光学系统被配置为将来自偏转器的照明光引导到对象并且将来自对象的反射光引导到偏转器。
13.根据权利要求12所述的光学装置，其特征在于，照明光的主光线的入射点和光学系统的光轴在偏转器的偏转表面上彼此间隔开。
14.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，第一光接收元件的光接收表面相对于照明光的主光线倾斜。
15.一种光学装置，包括：
偏转器，被配置为使来自光源单元的照明光偏转以便扫描对象，并且被配置为使来自对象的反射光偏转；以及
导光件，被配置为将来自光源单元的照明光的一部分引导到偏转器，将其它部分引导到第一光接收元件，并且将来自偏转器的反射光引导到第二光接收元件，
其特征在于，第一光接收元件的光接收表面相对于照明光的主光线倾斜。
16.一种车载系统，所述车载系统包括根据权利要求1至15中任一项所述的光学装置，并且被配置为基于由光学装置获得的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，还包括控制设备，所述控制设备被配置为在确定碰撞是可能的时输出控制信号，所述控制信号在车辆中生成制动力。
18.根据权利要求16所述的车载系统，还包括警告设备，所述警告设备被配置为在确定碰撞是可能的时警告车辆的驾驶员。
19.根据权利要求16所述的车载系统，还包括通知设备，所述通知设备被配置为通知关于车辆与对象之间的碰撞的信息。
20.一种移动装置，包括根据权利要求1至15中任一项所述的光学装置并且被配置为保持并移动光学装置。
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