CN115079131A - 光达装置 - Google Patents

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Abstract

光达装置具有光发射端与光接收端，且光达装置包括光源、准直透镜以及微透镜阵列。光源用以提供光束。准直透镜位于光束的传递路径上，用以使光束形成平行光束。微透镜阵列用以使平行光束形成多个子光束。准直透镜位于光源与微透镜阵列之间。这些子光束的发光强度不同，各子光束经由光发射端于远离光达装置的参考区域上分别形成子光斑，这些子光束于参考区域上所形成的这些子光斑叠合成整体光斑。本发明的光达装置具有稳定的检测距离以及良好的系统效率。

Description

光达装置
技术领域
本发明是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种光达装置。
背景技术
用于光检测和测距的光达装置(LIDAR)是一种目标检测、测距和测绘的方法。在光达装置中有几个主要部件：光源(例如，激光器)、光学器件、光子探测器以及用于信号处理的电子器件。具体而言，光达装置借由检测光束的转向控制以及处理从远处物体(例如建筑物和景观)反射回的光，这些物体的距离和形状可以被获取，进而可用以描绘周遭环境状态，从而达成避开障碍物、规划路径等目的。进一步而言，泛光光达(Flash LiDAR)为固态式光达的一种，其光发射端利用扩散片将检测光束扩散成所需视角的光，可同时照亮一大片区域，并且，其通过位于光接收端的感测器阵列，借由类似相机的原理加上飞行时间的检测，来分析目标物的外观及距离。
然而，此种泛光光达由于目前常用的激光及通过扩散片的检测光束强度分布大多集中在中央，而外围的检测光束强度较弱，进而使得被照亮的区域亮度分布不均。并且，检测光束的强度的分布不均会使得位于同一距离的目标物在其视场边缘的轮廓所散射回感测器的光较低，进而可能在信号分析时导致误判，而无法准确分析出目标物的轮廓。另一方面，通过外围区域的检测光束强度较弱，也表示中心视场的检测距离可达到较远的区域，而外围视场的检测距离仅只能涉及较近的区域。
此外，泛光光达的光接收端的感测器阵列大多为长方形阵列，然而激光及扩散片所形成的光形大多为长椭圆形，所以为了使光接收端的感测器阵列都使用到，光发射端的发光面需设计成较光接收端的受光面大，进而形成系统能量的浪费。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种光达装置，具有稳定的检测距离以及良好的系统效率。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种光达装置。光达装置具有光发射端与光接收端，包括光源、准直透镜以及微透镜阵列。光源用以提供光束。准直透镜位于光束的传递路径上，用以使光束形成平行光束。微透镜阵列用以使平行光束形成多个子光束，准直透镜位于光源与微透镜阵列之间，其中这些子光束的发光强度不同，各子光束经由光发射端于远离光达装置的参考区域上分别形成子光斑，这些子光束于参考区域上所形成的这些子光斑叠合成整体光斑。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，光达装置借由微透镜阵列的配置而使得通过的各个强度不同的子光束能在同一距离外的参考区域叠加而得到一个强度较均匀的视场，并可由此在参考区域中形成具有均匀强度的整体光斑。如此，光达装置无论在平行光束的中央处或外围处都可具有稳定的检测距离，且其借由具有均匀强度的整体光斑，也可有利参考区域中的各处的目标物的轮廓分析，进而提升其检测的准确度。此外，借由微透镜阵列的配置，光达装置亦可使整体光斑的轮廓与感测面的轮廓相似。如此，光达装置能减少由于通过光发射端的光束的光形与感测面的轮廓不吻合时的照射面的能量浪费，进而提升系统效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的一种光达装置于检测时的光束示意图。
图2A是图1的光达装置的光路示意图。
图2B是图1的光达装置在参考区域上的多个子光斑的分解示意图。
图2C是图1的光接收端上所设置的感测器接收来自参考区域上的整体光斑的光路示意图。
图2D是图1的光接收端上所设置的感测器与其接收的整体光斑的轮廓的分解示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是本发明一实施例的一种光达装置于检测时的光束示意图。图2A是图1的光达装置的光路示意图。图2B是图1的光达装置在参考区域上的多个子光斑的分解示意图。图2C是图1的光接收端上所设置的感测器接收来自参考区域上的整体光斑的光路示意图。图2D是图1的光接收端上所设置的感测器与其接收的整体光斑的轮廓的分解示意图。请参照图1至图2A，光达装置100具有光发射端EE与光接收端RE，包括光源110、准直透镜120以及微透镜阵列130。光源110用以提供光束L。准直透镜120位于光束L的传递路径上，用以使光束L形成平行光束PL。微透镜阵列130用以使平行光束PL形成多个子光束SL，准直透镜120位于光源110与微透镜阵列130之间，其中这些子光束SL的发光强度不同。具体而言，各子光束SL经由光发射端EE于远离光达装置100的参考区域OR上分别形成子光斑SP。举例而言，在本实施例中，参考区域OR可以是预设扫描的物件表面，也可以是预定的检测区域。
更进一步而言，如图2A所示，在本实施例中，微透镜阵列130具有第一区域R1与第二区域R2，子光束SL包括第一子光束SL1与第二子光束SL2，第一子光束SL1为通过第一区域R1的平行光束PL所形成的子光束SL，第二子光束SL2为通过第二区域R2的平行光束PL所形成的子光束SL，第一区域R1比第二区域R2更靠近光束L的光轴O，且第一子光束SL1的发光强度大于第二子光束SL2的发光强度。并且，在本实施例中，微透镜阵列130包括多个微透镜单元MU，微透镜单元MU的任一者具有长边尺寸与短边尺寸。如此，如图2B所示，通过微透镜单元MU的子光束SL所形成的子光斑SP的轮廓可被整形为矩形。
如图2B所示，在本实施例中，第一子光束SL1于参考区域OR上形成第一子光斑SP1，第二子光束SL2于参考区域OR上形成第二子光斑SP2，第一子光斑SP1的强度大于第二子光斑SP2的强度。并且，在本实施例中，在参考区域OR相对于光达装置100的距离远大于子光束SL的发光间距时，第一子光束SL1与第二子光束SL2之间的发光间距可被忽略，因此，第一子光斑SP1在参考区域OR中的位置与第二子光斑SP2在参考区域OR中的位置近似于重叠，而可用以形成整体光斑LP。也就是说，平行光束PL所形成的各子光束SL于参考区域OR上所形成的子光斑SP可叠合成整体光斑LP，其包含强度不同的第一子光斑SP1与第二子光斑SP2。
并且，在本实施例中，在参考区域OR相对于光达装置100的距离远大于这些子光束的发光间距SL时，同一子光束SL在参考区域OR形成的子光斑SP具有均匀的强度。也就是说，同一子光束SL在参考区域OR的各处所形成的子光斑SP的强度相同。在此，相同的意义是指在参考区域OR相对于光达装置100的距离远大于这些子光束SL的发光间距时，同一子光束SL可视为点光源110，而对远距离外的同一区间的照度类似，因此其子光斑SP在参考区域OR的不同位置的强度近似，乃至接近相同。
如此，即便平行光束PL的强度不均匀，但光达装置100仍可借由微透镜阵列130的配置而使得通过的各个强度不同的子光束SL能在同一距离外的参考区域OR叠加而得到一个强度较均匀的视场，并且，同一子光束SL在参考区域OR的各处所形成的子光斑SP的强度相同。如此，由平行光束PL形成的子光束SL的子光斑SP在参考区域OR中所叠合成的整体光斑LP具有均匀的强度。因此，在参考区域OR相对于光达装置100的距离远大于这些子光束SL的发光间距时，整体光斑LP在参考区域OR的不同位置的强度会是近似的。
如此一来，光达装置100无论在平行光束PL的中央处或外围处都可具有稳定的检测距离，且其借由具有均匀强度的整体光斑LP，也可有利参考区域OR中的各处的目标物的轮廓分析，进而提升其检测的准确度。
另一方面，如图2A、图2C与图2D所示，在本实施例中，光达装置100还包括感测器SR，设置于光接收端RE上。举例而言，感测器SR设置于光达装置100的外壳上，且位于偏离光轴O的位置。并且，如图2A所示，准直透镜120与微透镜阵列130设置于光源110与光接收端RE之间，以使经由参考区域OR反射而返回的整体光斑LP可经由聚焦透镜CL汇聚后而直接被位于光接收端RE的感测器SR所接收。进一步而言，如图2C与图2D所示，感测器SR具有感测面SS，感测面SS具有长边与短边，且感测面SS的长边的尺寸与短边的尺寸的比值与微透镜单元MU的长边尺寸与短边尺寸的比值匹配。并且，在本实施例中，各微透镜单元MU分别具有透镜曲率，且透镜曲率可基于感测面SS的尺寸而设计，而与感测面SS的长边的尺寸与短边的尺寸的比值匹配。
在其他实施例中，各微透镜单元MU也可以是非圆对称的透镜，亦即，各微透镜单元MU在水平方向上与垂直方向上具有不同的曲率不同(图未示)，在此情况下，各微透镜单元MU例如分别具有长轴曲率与短轴曲率，长轴曲率与短轴曲率不同，且长轴曲率与感测面SS的长边的尺寸匹配，短轴曲率与感测面SS的短边的尺寸匹配。如此一来，即可借由微透镜单元MU在水平方向上与垂直方向上的不同放大率进而调整子光斑SP的比例。
具体而言，在本实施例中，感测器SR所接收的整体光斑LP的尺寸可等于感测面SS的尺寸，或是等比例变大。举例而言，在本实施例中，感测面SS的长边的尺寸与短边的尺寸分别可为16毫米与9毫米，感测器SR所接收的整体光斑LP的尺寸则可为16.8毫米与9.45毫米。进一步而言，在考虑到系统元件公差及组装公差的存在时，感测器SR所接收的整体光斑LP的尺寸可比感测面SS的长边的尺寸与短边的尺寸略大，实际尺寸的变化可能为使感测器SR所接收的整体光斑LP的尺寸在长边与短边上增加几毫米左右的宽度，因此感测器SR所接收的整体光斑LP的范围可被设计为略小于感测面SS的范围。
如此，如图2C与图2D所示，将可使通过微透镜单元MU的子光束SL所形成的子光斑SP的轮廓与感测面SS的轮廓匹配而相似，进而使得整体光斑LP的轮廓与感测面SS的轮廓相似。如此，光达装置100的光发射端EE的视角(即各子光束SL的发散角度)即可与光接收端RE视角(即各子光束SL的发散角度)匹配，而能减少由于通过光发射端EE的光束L的光形与感测面SS的轮廓不吻合时的照射面的能量浪费，进而提升系统效率。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，光达装置借由微透镜阵列的配置而使得通过的各个强度不同的子光束能在同一距离外的参考区域叠加而得到一个强度较均匀的视场，并可由此在参考区域中形成具有均匀强度的整体光斑。如此，光达装置无论在平行光束的中央处或外围处都可具有稳定的检测距离，且其借由具有均匀强度的整体光斑，也可有利参考区域中的各处的目标物的轮廓分析，进而提升其检测的准确度。此外，借由微透镜阵列的配置，光达装置亦可使整体光斑的轮廓与感测面的轮廓相似。如此，光达装置能减少由于通过光发射端的光束的光形与感测面的轮廓不吻合时的照射面的能量浪费，进而提升系统效率。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记说明：
100：光达装置
110：光源
120：准直透镜
130：微透镜阵列
CL：聚焦透镜
EE：光发射端
L：光束
LP：整体光斑
MU：微透镜单元
O：光轴
OR：参考区域
PL：平行光束
SL：子光束
SL1：第一子光束
SL2：第二子光束
SP：子光斑
SP1：第一子光斑
SP2：第二子光斑
SR：感测器
SS：感测面
R1：第一区域
R2：第二区域
RE：光接收端。

Claims (11)

1.一种光达装置，其特征在于，所述光达装置具有光发射端与光接收端，并且包括光源、准直透镜以及微透镜阵列，其中：
所述光源用以提供光束；
所述准直透镜位于所述光束的传递路径上，用以使所述光束形成平行光束；以及
所述微透镜阵列用以使所述平行光束形成多个子光束，所述准直透镜位于所述光源与所述微透镜阵列之间，其中所述多个子光束的发光强度不同，各所述子光束经由所述光发射端于远离所述光达装置的参考区域上分别形成子光斑，所述多个子光束于所述参考区域上所形成的所述多个子光斑叠合成整体光斑。
2.根据权利要求1所述的光达装置，其特征在于，在所述参考区域相对于所述光达装置的距离远大于所述多个子光束的发光间距时，同一所述子光束在所述参考区域形成的所述子光斑具有均匀的强度。
3.根据权利要求2所述的光达装置，其特征在于，所述平行光束形成的所述多个子光束的所述多个子光斑在所述参考区域中所叠合成的所述整体光斑具有均匀的强度。
4.根据权利要求1所述的光达装置，其特征在于，所述微透镜阵列具有第一区域与第二区域，所述多个子光束包括多个第一子光束与多个第二子光束，所述多个第一子光束为通过所述第一区域的所述平行光束所形成的所述多个子光束，所述多个第二子光束为通过所述第二区域的所述平行光束所形成的所述多个子光束，所述第一区域比所述第二区域更靠近所述光束的光轴，且所述多个第一子光束的发光强度大于所述多个第二子光束的发光强度。
5.根据权利要求1所述的光达装置，其特征在于，各所述第一子光束于所述参考区域上形成第一子光斑，各所述第二子光束于所述参考区域上形成第二子光斑，所述第一子光斑的强度大于所述第二子光斑的强度，而所述整体光斑包含所述第一子光斑与所述第二子光斑。
6.根据权利要求1所述的光达装置，其特征在于，还包括：
感测器，其设置于所述光接收端上。
7.根据权利要求6所述的光达装置，其特征在于，所述准直透镜与所述微透镜阵列设置于所述光源与所述光接收端之间。
8.根据权利要求6所述的光达装置，其特征在于，所述微透镜阵列包括多个微透镜单元，所述多个微透镜单元的任一者具有长边尺寸与短边尺寸，所述感测器具有感测面，所述感测面具有长边与短边，且所述感测面的所述长边的尺寸与所述短边的尺寸的比值与所述多个微透镜单元的所述长边尺寸与所述短边尺寸的比值匹配。
9.根据权利要求8所述的光达装置，其特征在于，各所述多个微透镜单元分别具有透镜曲率，且所述透镜曲率与所述感测面的所述长边的尺寸与所述短边的尺寸的比值匹配。
10.根据权利要求8所述的光达装置，其特征在于，各所述多个微透镜单元分别具有长轴曲率与短轴曲率，所述长轴曲率与所述短轴曲率不同，且所述长轴曲率与所述感测面的所述长边的尺寸匹配，所述短轴曲率与所述感测面的所述短边的尺寸匹配。
11.根据权利要求8所述的光达装置，其特征在于，所述整体光斑的轮廓与所述感测面的轮廓相似。
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