CN113454420A - 光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光测距装置(100)，具备：发光光学系统(20)，其投射具有照射区域和非照射区域的图案光；受光传感器(40)，其具有阵列状的受光元件(41)；受光光学系统(30)，其从对象物接受图案光的反射光，将反射光中的与照射区域对应的部分放大成比一个受光元件大，并使放大后的光入射到受光传感器(40)；距离测定部(55)，其基于来自受光传感器的输出来测定到对象物为止的距离；以及位置调整部(33)，其用于基于来自受光传感器的输出，来进行发光光学系统和受光光学系统的至少一部分的位置调整。

Description

光测距装置

相关申请的交叉引用

本申请基于在2019年2月14日申请的日本申请号2019-024225号，因此，这里引用该记载内容。

技术领域

本发明涉及光测距装置。

背景技术

关于光测距装置，例如，在专利文献1中公开了如下的装置，向空间中照射具有多个照射区域和填埋这些照射区域之间的非照射区域的投影图案，接受来自对象物的反射光，由此测定到对象物为止的距离。另外，在专利文献2中公开了如下的装置，在与各受光像素对应的位置配置开设有孔的遮光板，在通过遮光板对来自非照射区域的光进行遮光之后，为了使各受光像素高效地接受光，通过扩散器放大反射光而成像于受光像素。

专利文献1：日本特开2016-166814号公报

专利文献2：美国专利申请公开第2018/0167602号说明书

专利文献3：日本特开2007-214564号公报

发明内容

在这样的装置的光学系统中，光的受光位置相对于受光传感器的对位对测距精度带来较大的影响。然而，即使在制品出厂时精度良好地进行对位，由于经年劣化、温度变化，也有可能在受光位置产生位置偏移。因此，要求如下的技术，即使在长期间使用光测距装置的情况下、或在室外使用光测距装置的情况下，也能够精度良好地进行测距。

本发明能够通过以下的方式实现。

根据本发明的一个方式，提供光测距装置。该光测距装置具备：发光光学系统，其投射具有照射区域和非照射区域的图案光；受光传感器，其具有阵列状的受光元件；受光光学系统，其从对象物接受上述图案光的反射光，将上述反射光中的与上述照射区域对应的部分放大成比一个上述受光元件大并入射到上述受光传感器；距离测定部，其基于来自上述受光传感器的输出来测定到上述对象物为止的距离；以及位置调整部，其用于基于来自上述受光传感器的输出来进行上述发光光学系统和上述受光光学系统的至少一部分的位置调整。

根据该方式的光测距装置，能够使用位置调整部来进行发光光学系统和受光光学系统的至少一部分的位置调整，因此即使由于经年劣化、温度变化，针对受光传感器的光的受光位置偏移，也能够对其进行校正。因此，在长期间使用光测距装置的情况下、或者在室外使用光测距装置的情况下，也能够精度良好地进行测距。

本发明也能够通过光测距装置以外的各种方式实现。例如，能够通过光测距方法、搭载光测距装置的车辆、控制光测距装置的控制方法等方式实现。

附图说明

一边参照附图一边通过下述的详细的记述，本发明的上述目的和其他的目的、特征、优点变得更明确。其附图为如下。

图1是表示第一实施方式的光测距装置的概略结构的图。

图2是表示发光光学系统的概略结构的图。

图3是表示受光系统的概略结构的图。

图4是表示直方图的一例的图。

图5是位置调整处理的流程图。

图6是距离测定处理的流程图。

图7是表示第二实施方式的位置调整部的概略结构的图。

图8是表示第三实施方式的发光光学系统的概略结构的图。

图9是表示通过可变焦点透镜来调整焦距的情形的图。

图10是表示第四实施方式的受光系统的概略结构的图。

图11是表示第五实施方式的受光系统的概略结构的图。

图12是表示第六实施方式的光测距装置的概略结构的图。

图13是表示第七实施方式的光测距装置的概略结构的图。

图14是表示第八实施方式的受光传感器的概略结构的图。

图15是表示第九实施方式的受光传感器的概略结构的图。

图16是表示图案光的其他例的图。

具体实施方式

A.第一实施方式：

如图1所示，作为本发明的第一实施方式的光测距装置100具备发光光学系统20、受光光学系统30、位置调整部33、受光传感器40、以及控制部50。光测距装置100例如搭载于车辆，用于到其他车辆、障碍物为止的距离测定。

如图1和图2所示，发光光学系统20包含发光电路10和照射光学系统15。发光电路10通过在基板11安装多个光源12而构成。在基板11安装有用于驱动各光源12的驱动电路。本实施方式的光源12为半导体激光二极管。各光源12以规定的周期在同步的定时同时照射脉冲激光。照射光学系统15例如由组透镜构成，向对象物OB投射从发光电路10照射的照射光。通过这样的发光光学系统20的结构，在本实施方式中，如图2所示，向对象物OB投射具有多个点光的图案光PL。该图案光PL具有：通过各光源12的发光而形成的多个照射区域A1以及填埋这些照射区域A1之间的非照射区域A2。

如图1和图3所示，受光光学系统30具备受光透镜31和追加光学系统32。受光透镜31例如由组透镜构成。从对象物OB反射的图案光PL的反射光透过受光透镜31和追加光学系统32而入射到受光传感器40。在本实施方式中，追加光学系统32具备放大缩小透镜321，该放大缩小透镜321放大反射光中的与照射区域A1对应的部分，缩小反射光中的与非照射区域A2对应的部分。通过该放大缩小透镜321，在受光传感器40上成像的像发生变形，反射光中的与照射区域A1对应的部分的光被放大成比后述的受光传感器40的一个受光元件41(像素)大。此外，受光透镜31和受光传感器40的配置是在未设置追加光学系统32的情况下，受光透镜31的对焦位置成为受光传感器40的位置的配置。

位置调整部33具有使追加光学系统32在平行方向上移动的功能。平行方向是指与从受光透镜31朝向受光传感器40的光的方向垂直的方向。在本实施方式中，位置调整部33具有：使追加光学系统32在水平方向上移动的水平移动致动器331、以及使追加光学系统32在铅垂方向上移动的铅垂移动致动器332。这些致动器的动作由控制部50控制。

如图1所示，受光传感器40具有阵列状的受光元件41。在本实施方式中，受光元件41包含多个SPAD(单光电二极管)，也称为像素。受光传感器40构成为具备多个像素的硅固态成像器。例如，一个像素由横6个×纵4个共计24个SPAD构成。各SPAD以盖革模式进行动作，若输入光(光子)，则以一定的概率输出脉冲信号。因此，根据接受到的光的强度，从各像素输出0～24个脉冲信号。受光传感器40具备按每个像素加上脉冲信号的加法电路，按每个像素，对控制部50输出从0到24的值。

控制部50具有控制发光电路10和位置调整部33的功能。另外，作为基于受光传感器40的输出来测定到对象物OB为止的距离的功能部，控制部50具备距离测定部55。在本实施方式中，控制部50构成为具备CPU和存储器的计算机，通过执行存储于存储器的程序而实现各种功能。此外，控制部50的功能的全部或者一部分也可以通过电路以硬件的方式实现。

距离测定部55从受光传感器40的各像素取得从0到24的输出值，通过将该值记录于与光飞行时间(TOF：Time Of Flight)对应的区间，从而如图4所示那样制作直方图。而且，检测直方图中的峰值的位置，基于与该峰值的位置对应的光飞行时间，通过下述式(1)，按每个像素进行距离的测定。

D＝(c×Δt)/2···式(1)

其中，Δt为光飞行时间，c为光速，D为到对象物为止的距离。

在图5中，表示用于进行追加光学系统32的位置调整的位置调整处理的处理内容。例如在光测距装置100的出厂时、搭载了光测距装置100的车辆的检查时、车辆停止时、或者由用户指示的任意的定时执行该位置调整处理。在该位置调整处理中，首先，在步骤S10中，控制部50控制发光电路10，针对对象物OB投射图案光PL。投射图案光PL的对象物OB例如为预先确定了形状、反射率的检查用靶。控制部50在步骤S12中，控制位置调整部33来开始追加光学系统32的位置的调整，在步骤S14中，一边使追加光学系统32的位置变化一边按每个像素取得受光传感器40的输出。而且，控制部50在步骤S16中，将从各像素取得的输出的总和值最大的追加光学系统32的位置记录于非易失性存储器51。即，在本实施方式中，通过控制部50来控制位置调整部33，进行追加光学系统32的位置调整以使受光传感器40的输出成为最大。此外，投射图案光PL的对象物OB并不局限于检查用靶，也可以是任意的物体。例如，像路面那样，如果对作为通常的检测对象的物体投射图案光PL，则能够在实际的动作状态下进行追加光学系统32的位置调整。

控制部50在光测距装置100的启动时，读入记录在非易失性存储器51中的追加光学系统32的位置，控制位置调整部33而调整追加光学系统32的位置，以使追加光学系统32处于该位置。

在图6中表示在光测距装置100的启动中由控制部50反复执行的距离测定处理的处理内容。在步骤S20中，控制部50控制发光电路10而投射图案光PL，使用受光传感器40接受其反射光。在步骤S22中，距离测定部55对于按照每个像素从受光传感器40取得的各个输出，判定对应的像素是对应于照射区域还是对应于非照射区域。各像素与照射区域和非照射区域的对应关系被预先决定而存储于控制部50的存储器。距离测定部55对于从与非照射区域对应的像素取得的输出，在步骤S24中，废弃该值。另一方面，距离测定部55对于从与照射区域对应的像素取得的输出，在步骤S26中，使用该值而生成直方图。而且，距离测定部55在步骤S28中，使用该直方图来进行距离的计算。

根据以上说明的本实施方式的光测距装置100，能够使用位置调整部33来进行追加光学系统32的位置调整，因此即使由于经年劣化、温度变化，针对受光传感器40的光的受光位置偏移，也能够对其进行校正。因此，即使在长期间使用光测距装置100的情况下、或在室外使用光测距装置100的情况下，也能够精度良好地进行测距。

另外，在本实施方式中，通过追加光学系统32，使图案光PL的反射光的与照射区域对应的部分比受光传感器40的一个像素大。因此，各像素能够高效地接受反射光。因此，能够提高距离的测定精度。

另外，在本实施方式中，通过执行图5所示的处理，而进行追加光学系统32的位置调整，以使受光传感器40的输出成为最大。因此，能够使受光传感器40高效地接受反射光，能够提高距离的测定精度。另外，在本实施方式中，将由位置调整部33调整后的追加光学系统32的位置记录于非易失性存储器51，因此通过使用该值，在光测距装置100的启动时，能够容易地设定追加光学系统32的位置。

另外，在本实施方式中，通过执行图6所示的处理，不使用来自被反射光中的与非照射区域对应的部分照射的像素的输出，而使用来自被反射光中的与照射区域对应的部分照射的像素的输出，生成直方图。因此，能够提高直方图的SN比，能够提高距离的测定精度。

另外，在本实施方式中，受光传感器40所具备的各受光元件41由多个SPAD构成。因此，通过追加光学系统32来放大图案光PL的照射区域A1，并且进一步通过位置调整部33进行追加光学系统32的位置调整，由此，能够始终使接受信号光的SPAD的数量最大化。因此，能够放大受光传感器40的动态范围。

B.第二实施方式：

第一实施方式的光测距装置100的位置调整部33能够在与光轴垂直的平行方向上进行追加光学系统32的位置调整。与此相对，第二实施方式的位置调整部33B除了在平行方向上还能够在旋转方向上进行追加光学系统32的位置调整。第二实施方式的光测距装置100的其他结构与第一实施方式相同。

如图7所示，第二实施方式的位置调整部33B除了具备水平移动致动器331和铅垂移动致动器332，还具备旋转移动致动器333。旋转移动致动器333配置在水平移动致动器331和铅垂移动致动器332的外侧且圆环状的固定框架334的内侧。旋转移动致动器333在固定框架334内，根据控制部50的控制，与水平移动致动器331和铅垂移动致动器332一同，使追加光学系统32旋转移动。控制部50在图5所示的处理中，不仅在平行方向上而且在旋转方向上也调整追加光学系统32的位置以使受光传感器40的输出成为最大。

根据以上说明的第二实施方式，能够使追加光学系统32不仅在平行方向上而且在旋转方向上移动，因此能够更精度良好地进行追加光学系统32的位置调整。此外，位置调整部33只要在平行方向和旋转方向的至少一个方向上进行追加光学系统32的位置调整即可，例如也可以进行仅旋转方向的位置调整。另外，也可以在沿着光轴的方向上进行位置调整。

C.第三实施方式：

如图8所示，第三实施方式的光测距装置100的发光光学系统20C具备可变焦点透镜21(可变焦距透镜)。第三实施方式的光测距装置100的其他结构与第一实施方式相同。

可变焦点透镜21是使焦距变化的透镜。可变焦点透镜21例如组装在构成照射光学系统15的组透镜中。控制部50控制位置调整部33，基于来自受光传感器40的输出来调整可变焦点透镜21的光轴方向上的位置以使来自与照射区域A1对应的各像素的输出的总和值成为最大，由此如图9所示，调整向对象物OB的投射图案的焦距。

根据以上说明的第三实施方式，例如，即使发光电路10与照射光学系统15的距离因环境温度、内部温度的影响而变动，通过使可变焦点透镜21移动以对其进行补偿，能够调整图案光PL的焦点。因此，能够进一步提高测距精度。此外，该第三实施方式的结构能够与其他的实施方式任意地组合。

D.第四实施方式：

作为追加光学系统32，第一实施方式的光测距装置100具备图3所示的放大缩小透镜。与此相对，如图10所示，作为追加光学系统32，第四实施方式的光测距装置100D具备遮光掩模322。第四实施方式的光测距装置100D的其他的结构与第一实施方式相同。

在遮光掩模322形成有多个开口，以透过反射光中的与照射区域对应的部分，对反射光中的与非照射区域对应的部分进行遮光。而且，设定遮光掩模322、受光透镜31、受光传感器40各自的配置以及遮光掩模322的开口的大小，以使透过了遮光掩模322的光在受光传感器40上比一个像素放大。例如，通过将受光传感器40配置在比受光透镜31的对焦距离更远的位置，取而代之，在受光透镜31的对焦位置配置遮光掩模322，能够放大入射到受光传感器40的光。此外，遮光掩模322的开口的形状在图10中表示矩形形状，但优选为与图案光PL的照射区域A1的形状相同的形状。

位置调整部33与第一实施方式或第二实施方式的追加光学系统32同样，能够使遮光掩模322向平行方向和旋转方向中的至少一方移动。控制部50通过执行与图5所示的处理相同的处理，而进行遮光掩模322的位置调整。

通过以上说明的第四实施方式，也与第一实施方式同样，能够使用位置调整部33来进行遮光掩模322的位置调整，因此即使由于经年劣化、温度变化，针对受光传感器40的光的受光位置偏移，也能够对其进行校正。因此，在长期间使用光测距装置100D的情况下、或在室外使用光测距装置100D的情况下，也能够精度良好地进行测距。

E.第五实施方式：

作为追加光学系统32，第一实施方式的光测距装置100具备图3所示的放大缩小透镜321。与此相对，如图11所示，作为追加光学系统32，第五实施方式的光测距装置100E具备能够变更反射光中的与照射区域对应的部分的透过位置的液晶元件323。将液晶元件323也称为液晶光阀323。液晶元件323具有多个像素，对于任意的像素，能够使光透过或者遮光。而且，与第四实施方式同样，设定液晶元件323、受光透镜31、受光传感器40各自的配置以及在液晶元件323中透过光的像素的范围，以使透过了液晶元件323的光比受光传感器40上的一个像素放大而进行对焦。

与第一实施方式、第二实施方式不同，位置调整部33E不具备用于使追加光学系统32移动的致动器。在本实施方式中，位置调整部33E由如下的电路构成，根据来自控制部50的指令而控制液晶元件323的各像素，变更反射光中的与照射区域对应的部分的透过位置。控制部50通过执行与图6所示的处理相同的处理，从而进行液晶元件323的透过位置的位置调整。

根据以上说明的第五实施方式，也与第一实施方式同样，能够使用位置调整部33E来调整透过液晶元件323的光的位置，因此即使由于经年劣化、温度变化，针对受光传感器40的光的受光位置偏移，也能够对其进行校正。因此，在长期间使用光测距装置100E的情况下、或在室外使用光测距装置100E的情况下，也能够精度良好地进行测距。

F.第六实施方式：

第一实施方式的光测距装置100通过位置调整部33来调整追加光学系统32的位置。与此相对，在第六实施方式的光测距装置100F中，如图12所示，位置调整部33构成为进行包含发光电路10和照射光学系统15的发光光学系统20整体的位置调整。通过这样的结构，也能够校正针对受光传感器40的光的受光位置。

G.第七实施方式：

第一实施方式的光测距装置100通过位置调整部33来调整追加光学系统32的位置。与此相对，在第七实施方式的光测距装置100G中，如图13所示，位置调整部33构成为进行发光光学系统20中的发光电路10、即光源12的位置调整。通过这样的结构，也能够校正针对受光传感器40的光的受光位置。此外，位置调整部33也可以构成为，进行发光光学系统20中的照射光学系统15的位置调整。另外，位置调整部33也可以进行受光光学系统30中的受光透镜31的位置调整。

H.第八实施方式：

第一实施方式的光测距装置100具备将受光元件41呈阵列状排列的受光传感器40。与此相对，在第八实施方式中，如图14所示，单体的受光元件41H隔开规定的间隔地呈阵列状排列于基板11h，由此构成受光传感器40H。各受光元件41H配置在反射光中的与照射区域对应的位置。通过这样的结构，光测距装置100也能够进行测距。

I.第九实施方式：

第一实施方式的光测距装置100具备将受光元件41呈阵列状排列的受光传感器40。与此相对，在第九实施方式中，如图15所示，通过在基板11I上隔开规定的间隔地排列多个受光IC42，从而构成受光传感器40I，该受光IC42包含呈阵列状排列的多个受光元件41I。各受光IC42配置在反射光中的与照射区域对应的位置。通过这样的结构，光测距装置100也能够进行测距。

J.其他的实施方式：

(J-1)上述各实施方式能够任意地组合。例如，也可以通过组合第一至第五实施方式、第六实施方式(图12)或第七实施方式(图13)，从而位置调整部33进行追加光学系统32和发光光学系统20双方的位置调整。

(J-2)在上述实施方式中，受光传感器40不限于由SPAD构成。例如，受光传感器40也可以由APD(雪崩光电二极管)或PIN光电二极管构成。另外，受光传感器40也可以由在间接TOF计测法中使用的相位型的成像器(参照日本特开2016-50832号公报)构成。在使用由SPAD以外的结构构成的受光传感器40的情况下，距离测定部55未必需要生成直方图，也可以根据来自受光传感器40的输出而直接地求出距离。

(J-3)在上述实施方式中，光源12为半导体激光二极管。然而，光源并不局限于此，只要能够投射图案光则也可以是其他的光源。例如，能够利用垂直共振器面发光激光器、半导体激光二极管与衍射光学元件的组合等各种光源。

(J-4)在上述实施方式中，图案光如图2所示那样为点状的图案。然而，作为图案光的空间图案，能够采用任意的图案。例如，通过使用线状的光源，也能够如图16所示，投射线状的图案光PL。在图16中，作为投射图案，投射线状的图案，作为追加光学系统32，使用柱面透镜来放大照射区域A1。除此之外，例如也可以通过组合多个线状的光源，从而投射条纹状或格子状的图案光。

(J-5)在上述实施方式中，控制部50控制位置调整部33来进行追加光学系统32的位置调整。即，控制部50与位置调整部33成为一体而实现作为位置调整部的功能。与此相对，通过位置调整部33具备控制部50的功能，从而位置调整部33自身也可以进行追加光学系统32的位置调整。

(J-6)本发明所记载的控制部50及其方法也可以由专用计算机实现，该专用计算机通过构成被编程为执行由计算机程序具体化的一个至多个功能的处理器和存储器而被提供。或者，本发明所记载的控制部50及其方法也可以由专用计算机实现，该专用计算机通过由一个以上的专用硬件逻辑电路构成处理器而被提供。或者，本发明所记载的控制部及其方法也可以由一个以上的专用计算机实现，该专用计算机通过被编程为执行一个至多个功能的处理器和存储器与由一个以上的硬件逻辑电路构成的处理器的组合而构成。另外，计算机程序也可以作为由计算机执行的指令，存储于计算机能够读取的非迁移有形记录介质。

(J-7)本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部、或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，各实施方式中的技术特征能够适当地进行替换或组合。另外，如果该技术特征没有作为本说明书中必须的特征进行说明，则能够适当地删除。

Claims (8)

1.一种光测距装置，该光测距装置(100)具备：

发光光学系统(20)，其投射具有照射区域和非照射区域的图案光；

受光传感器(40)，其具有阵列状的受光元件(41)；

受光光学系统(30)，其从对象物接受所述图案光的反射光，将所述反射光中的与所述照射区域对应的部分放大成比一个所述受光元件大，并使放大后的光入射到所述受光传感器(40)；

距离测定部(55)，其基于来自所述受光传感器的输出来测定到所述对象物为止的距离；以及

位置调整部(33)，其用于基于来自所述受光传感器的输出而进行所述发光光学系统和所述受光光学系统的至少一部分的位置调整。

2.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，

所述受光光学系统具备透镜(321)，该透镜(321)放大所述反射光中的与所述照射区域对应的部分，并缩小所述反射光中的与所述非照射区域对应的部分，

所述位置调整部进行所述透镜的平行方向和旋转方向中的至少一个方向上的位置调整。

3.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，

所述受光光学系统包含遮光掩模(322)，该遮光掩模(322)透过所述反射光中的与所述照射区域对应的部分，对所述反射光中的与所述非照射区域对应的部分进行遮光，

所述位置调整部进行所述遮光掩模的平行方向和旋转方向中的至少一个方向上的位置调整。

4.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，

所述受光光学系统包含液晶元件(323)，该液晶元件(323)能够变更所述反射光中的与所述照射区域对应的部分的透过位置，

所述位置调整部控制所述液晶元件来进行所述透过位置的位置调整。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光测距装置，其中，

所述发光光学系统具备可变焦点透镜(21)，

所述位置调整部基于来自所述受光传感器的输出来调整所述可变焦点透镜的焦距。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光测距装置，其中，

所述位置调整部以所述受光传感器的输出成为最大的方式进行所述位置调整。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光测距装置，其中，

所述光测距装置还具备非易失性存储器(51)，该非易失性存储器(51)记录被调整后的位置，

所述位置调整部在所述光测距装置的启动时，基于记录于所述非易失性存储器的位置来进行位置调整。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光测距装置，其中，

所述受光传感器具备多个像素，所述像素包含多个单光电二极管，

所述距离测定部不使用来自被所述反射光中的与所述非照射区域对应的部分照射的像素的输出，而使用来自被所述反射光中的与所述照射区域对应的部分照射的像素的输出，来生成按每一光飞行时间记录所述输出的值而得的直方图，并基于所述直方图的峰值的位置来进行所述距离的测定。

Images