CN103675831B - 距离测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及距离测定装置，其目的在于提供一种能够在抑制产品成本的基础上在短时间内测定装置与对象物上规定范围内多个部位之间的距离。具体在距离测定装置(100)中，包括光照射装置和受光装置，该光照射装置用于以多束照射光照射对象物，该多束照射光的光路在规定的假想平面上呈辐射状分布，受光装置用于接受受到对象物反射多束照射光形成的多束反射光。

Description

距离测定装置

技术领域

本发明涉及距离测定装置，具体涉及用光照射对象体并接受该对象体反射的反射光、用以测定与该受到光照射的对象体之间距离的距离测定装置。

背景技术

关于距离测定装置，现有技术中如有专利文件1(JP特开2009-145107号公报)公开的激光雷达装置。该激光雷达装置用激光二极管发射的光经由镜单元照射需要测定的对象物上的预定区域，该预定区域的反射光通过镜单元入射光电二极管，用以在短时间内测定与该预定区域内多个部位之间的距离。该镜单元包括位于互相正交的第一轴和第二轴周围的可摇动的反射镜、以及相对于与第一轴正交的第三轴具有不同倾斜角度的多个发射镜，

但是，专利文献1公开的激光雷达装置的结构以及控制比较复杂，因而产品成本较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种距离测定装置，用于发射激光作为照射光，照射对象物，并接受该对象物反射的反射光，用该反射光测定与该对象物之间的距离，其特征在于，包括以下装置：光照射装置，用多束所述照射光照射所述对象物，该多束照射光的光路在规定的假想平面上呈辐射状分布；以及，受光装置，用于接受受到所述对象物反射多束所述照射光形成的多束反射光。

本发明效果在于，能够在抑制产品成本的基础上，在短时间内测定装置与对象物上规定范围内多个部位之间的距离。

附图说明

图1是涉及本发明第一实施方式的距离测定装置的结构示意图。

图2是距离测定装置中控制电路单元的模块图。

图3是距离测定装置中激光照射受光装置的结构示意图。

图4是激光照射受光装置中光照射单元的结构示意图。

图5是激光照射受光装置中受光单元的结构示意图。

图6是第一变形例的距离测定装置的结构示意图。

图7是第二变形例的距离测定装置的结构示意图。

图8是第三变形例的激光照射受光装置的结构示意图。

图9是第三变形例的激光照射受光装置中受光单元的结构示意图。

图10是第四变形例的激光照射受光装置的结构示意图。

图11是第四变形例的激光照射受光装置中受光单元的结构示意图。

图12是第五变形例的激光照射受光装置的结构示意图。

图13是第五变形例的激光照射受光装置中受光单元的结构示意图。

图14是用于说明闪耀光栅的示意图。

图15是闪耀光栅的衍射角度与光栅间隙之间关系的图。

图16是闪耀光栅的衍射角度与光栅高度之间关系的图。

图17是第六变形例中的LD发光强度随着时间变化的波形图。

图18是第七变形例的激光照射受光装置的结构示意图。

具体实施方式

以下参考图1至图5，说明本发明的第一实施方式。图1是涉及本发明第一实施方式的距离测定装置1000的结构示意图。

距离测定装置例如可搭载于车辆上，该距离测定装置用光照射作为对象物的其他车辆，并接受反射光入射，从而测定距离测定装置与该其他车辆之间的距离。

本发明的距离测定装置还可以搭载到除车辆以外的静止物体或移动物体上使用，还可以单独使用。作为对象物，除车辆以外还包含静止物体和移动物体。

距离测定装置1000作为一例，如图1所示，具备两个激光照射受光装置100a和100b、控制电路单元200、以及用于收纳这些器件的筐体300等。筐体300例如以箱形部件构成。

在此，设定XYZ三维坐标系中的Z轴与搭载距离测定装置1000的车辆(以下检测为搭载车辆)的移动方向正交。

上述两个激光照射受光装置100a和100b实质上具有相同结构，并相对于YZ平面对称设置。在以下的说明中，如果不需要加以区别，则将两个激光照射受光装置100a和100b统称为激光照射受光装置100。

图3显示一例激光照射受光装置100，其中包括光照射单元10、受光单元20以及用于一体保持光照射单元10和受光单元20的保持部件30等。在平行于Z轴的方向上光照射单元10与受光单元20之间的距离例如为几毫米至几厘米。在此，光照射单元10位于+Z一侧，受光单元20位于-Z一侧，但是，该两者之间的相对位置也可以相反。

关于保持部件30，例如为以平行于Z轴的一边为长边的长方形箱形部件，在其内部，按照上述位置关系收纳并保持光照射单元10以及受光单元20。

光照射单元10中例如一体设有作为激光光源的激光二级管(LD)11、LD驱动电路9以及照射光学***8等。

返回图1，关于安装在电路基板14(参见图3)上的各LD11，其例如向位于搭载车辆+Y一侧的其他车辆发射激光。具体来说，位于-X一侧的LD11的发射方向(α1轴)例如平行于XY平面，且相对于+Y轴向-X一方倾斜20°。而位于+X一侧的LD11的发射方向(α2轴)例如也平行于XY平面，但相对于+Y轴向+X一方倾斜20°。

也就是说，位于-X一侧的LD11的发射方向与位于+X一侧的LD11的发射方向之间在XY平面内构成的角度为40°。在此，设在XY平面内与α1轴正交的轴为γ1轴，与α2轴正交的轴为γ2轴。在不需要区别+X一侧的LD11和-X一侧的LD11的情况下，称LD11的发射方向平行于α轴，且在XY平面内γ轴与α轴正交。

关于各LD11发射的激光，例如在αγ平面即XY平面内具有规定大小的发散角(参见图4)，在αZ平面内也有规定大小的发散角(参见图3)。在此，为了便于说明，在图3至图5中导入γαZ三维正角坐标***。

LD11例如为边射型半导体激光器，其构成为包含支持基板以及在该支持基板上形成的层压体，该层压体以层压包含活性层在内的多层半导体层形成。LD11的支持基板平行于XY平面，上述活性层的发光区域的矩形截面的长边平行于XY平面，短边与XY平面正交。

例如，设上述发光区域的矩形截面的长边长度为100μm～300μm，短边长度为10μm以下。

这样，在平行于边支持基板的平面上，发射型半导体激光器(LD)具有较宽的发光区域，并且发光区域中的光强度分布均一，可用于多模式动作。

为了如以下将要叙述的、使得照射其他车辆的激光在平行于XY平面的方向(以下也称之为水平方向)上保持均匀的光束性质，以提高距离检测精度，本实施方式如上所述，将LD11的支持基板设置为平行于XY平面。

如图3所示，LD驱动电路9设于电路基板14上，其根据以下将要叙述的发光控制电路201发送的发光信号，向LD11提供调制电流，用以驱动该LD11。换言之，LD11发射的调制波形光束的时间波形与LD驱动点路9提供的电流信号波形保持一致。

关于LD驱动电路9生成的调制波形，例如为普通的距离测定装置使用的脉冲波形，LD驱动电路9按照时间顺序并以几kHz～几十kHz的频率向LD11发送脉冲波驱动信号，该脉冲波的宽度为几纳秒～几十纳秒、峰值强度约为10W。LD11响应该驱动信号间隙性地发射激光。

下述的控制电路单元200经由连接器250向LD驱动电路9输出发光启动信号以及规定的直流电压，用于LD驱动电路9生成向LD11输出的调制信号。

关于照射光学***8，例如具有耦合透镜12以及柱形透镜13等，用于对LD11发射的激光光束进行整形。

耦合透镜12位于LD11发射的光束的光路上，将该激光调整为大致平行的光束。

柱形透镜13如图4所示，位于LD11发射的光束的光路上，其与LD11之间设有耦合透镜12，用于使得激光在γ轴向(平行于XY平面的方向)发散。柱形透镜13例如构成为其入射面为在α轴向具有负折射力的曲面。换言之，作为一例柱形透镜13，其入射面是在αγ截面上弯向+α方向的凹面。此外，柱形透镜13的光轴与耦合透镜12的光轴保持一致。

在这种情况下，LD11的发光区域的矩形截面长边的方向与柱形透镜13具有的折射力方向保持一致。这样不仅能够进一步加大光照射单元10发射的激光在αγ(即XY)平面内的发散角，而且能够使得αγ平面上发散范围内的光强度分布保持均匀。而沿着水平方向分割距离检测角度范围时，为保证分割后各范围之间距离测定精度保持一致所需要的，正是αγ平面上发散范围内具有均匀光强度分布这一特性。

通过柱形透镜13的激光即光照射单元10发射的激光，在经过设置在保持部件30中位于+α一侧壁上的发射窗(未图示)后，射往保持部件以外，而后，经过设置在筐体300中位于+Y一侧壁上的开口部中、例如以透明玻璃或透明塑料形成的光透射窗部件400，射到筐体300外。换言之，从光透射窗部件400射出的激光即为距离测定装置1000发射的激光。此外，为了防止外部散乱光进入筐体300，光透射窗部件400可以兼备带通滤波器功能。

这样，光照射装置具备两个光照射单元10，该两个光照射单元分别发射的两束激光在XY平面内光路呈辐射状分布。

在此，上述“两束激光在XY平面内光路呈辐射状分布”包含两条激光光路在XY平面内互相分开、接近(包括连在一起)、以及稍微重叠的情形。

在XY平面内，上述两束激光的发射方向之间例如构成40°夹角，且各束激光本身的发散角为40°。另外，该两束激光在αZ平面内的发散角例如分别为10°。

这样，距离测定装置1000能够向位于搭载车辆+Y一侧的其他车辆发射激光，该激光在XY平面内的整体角度范围为80°，且在与XY平面正交的平面内(Z轴向)的最大角度范围为10°。

光照射装置的各光照射单元10发射的激光(以下也称为照射光)照射到其他车辆后受到反射，其中一部分反射光沿着与照射光相同的光路入射受光单元20。保持部件30中位于+α一侧壁上设有受光窗(未图示)，反射光通过该受光窗入射受光单元20。

受光单元20例如如图5所示，具备作为受光元件的光电二极管(PD)21、作为聚光光学***的聚光透镜22、以及信号放大电路23(参见图3)等部件，这些部件被一体设置。

关于PD21，例如如图5所示，其受光面上具有多个沿γ轴向排列的受光区域，该PD21被安装在电路基板24上，使受光面与对应的LD11的发射方向(α轴向)正交。

聚光透镜22位于其他车辆反射各激光照射受光装置100的光照射单元10发射的激光的反射光光路上，用于将反射光会聚到对应的PD21中的受光区域。

聚光透镜22的外形为具有较大长宽比，Z轴向的长度较长，γ轴向的长度较短。

这样，受光装置具备两个受光单元20，该受光单元接受从光照射装置发射后受到其他车辆反射的两束反射光。

各台激光照射受光装置100的光照射单元10以及受光单元20如上所述，被设置为在Z轴方向上互相接近，为此，例如对于离开几米以上的位置，可以认为照射光学***8的光轴与聚光透镜22的光轴在同一条轴线上。

PD21将各受光区域中收到的受光信号转换成电信号，而后，将该电信号输出到信号放大电路23。

信号放大电路23放大从PD21输入的电信号后，将该经过放大的电信号输出到下述的比较器203。

在上述激光照射受光装置100中，LD11发射的激光经过照射光学***8射往筐体300外的其他车辆。

在此，LD11发射的激光即照射光在水平方向(γ轴向)以及铝直方向(Z轴向)上以规定的角度发散，该发散光入射耦合透镜12，通过该耦合透镜12大致成为平行光。

上述照射光在αZ平面内的发散角大小取决于LD11发光区域的矩形截面在Z轴向上的长度以及耦合透镜12的焦距，该发散角大小限定了αZ平面内的照射角度范围。

本实施例中，耦合透镜12的后方(+α一侧)具有γ轴向的负折射力，这样可以只增加αγ平面内的发散角大小。换言之，本实施例的照射光在平行于XY平面的方向具有较大发散角。

此外，LD11发光区域的矩形截面的长边方向(γ轴向)与柱形透镜13所具有的负折射力方向保持一致。在这种情况下，不仅有利于增加照射光在X轴向上的发散角度，而且能够均化αγ平面上照射角度范围内的照射光强度分布。而在水平方向上分割距离检测角度范围时，为保证分割后各范围之间的距离测定精度一致，需要照射光在αγ平面上的发散范围内具有均匀的光强度分布。

在反射(入射)位置上受到其他车辆反射的反射光发生乱反射(随机地向任意方向散乱)，其中，只有光路与照射光相同的激光(反射光)通过聚光透镜22被引导到PD21中。

激光照射受光装置100发射的激光在水平方向(X轴向)以及铅直方向(Y轴向)的照射角度范围分别取决于照射光在水平方向以及铅直方向上的发散角度。该发散角度有赖于LD发光区域的矩形截面的长边长度和短边长度、以及照射光学***在水平方向以及铅直方向的焦距。为此，可以通过调整各方的值来获得需要的发散角，照射具有该发散角的激光。

另一方面，受到其他车辆反射的反射光中的一部分光由于经由与照射光相同的路径返回，因而受到聚光透镜22会聚的反射光在水平方向和铅直方向上也分别具有与照射光相同的发散角。在这种情况下，反射光以不同的入射角度入射聚光透镜22后，相对于该聚光透镜22的光轴向γ轴以及Z轴方向发生偏移，并以此偏移状态入射PD21。

对此，PD21的多个受光区域沿着γ轴向(水平方向)排列，即沿着γ轴向分割受光面，分别获得各自的距离计算信息，用来计算与其他车辆表面多个X轴向(水平方向)的位置之间的距离。

在此，可通过调整PD21在γ轴向上的整个受光面大小和聚光透镜22的焦距，来设定γ轴向的受光角度范围。将该受光角度范围调整到与上述γ轴向的照射角度范围相同，并沿着γ轴向，将PD21的受光面分割成多个受光区域，分别用来检测各个受光信号，从而实现受光角度范围的分割。

例如如图5所示，沿着水平方向将PD21的受光面分割成五个受光区域，平行于聚光透镜22光轴的反射光入射该聚光透镜22后，透过聚光透镜22入射到位于γ轴向中间的受光区域(参见图5中的实线)。而在沿着与聚光透镜22的光轴交叉的方向斜入射的反射光中，从受光角度范围中最+γ一侧入射聚光透镜22的反射光入射到最-γ一侧的受光区域(参见图5的虚线)，而从受光角度范围中最-γ一侧入射聚光透镜22则入射到最+γ一侧的受光区域(参见图5的一点锁线)。

返回图1，控制电路单元200中设于筐体300内部的两个激光照射受光装置100a和100b被设置在-Y一侧。

控制电路单元200如图2所示，具备测距地图生成电路207、以及分别对应两个激光照射受光装置100的两个发光控制电路201、两个比较器203、两个距离计算电路205等。

控制电路单元200将LD11的发光时刻与从信号放大电路23输入的各个受光区域的受光时刻之间的时间差转换成距离信息，而后用测距地图生成电路207根据对应各受光区域的距离信息绘制地图，并将该距离信息的地图送往设置在距离测定装置100中-Y一侧的车体控制用电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。

发光控制电路201通过控制LD驱动电路9以规定时刻输出发光信号，控制LD11的发光时刻。

比较器203将PD21的各个受光区域发送并经由信号放大电路23输出的受光信号、与规定的基准水平进行比较，而后将比较结果送往距离计算电路205。

距离计算电路205根据上述发光时刻和受光时刻(即受光信号的峰值的取得时刻)，计算与其他车辆之间的距离。在将PD21的受光面分割成多个受光区域用来测距的情况下，用测距地图生成电路207来汇集各受光区域所对应的距离信息，并将经过汇集的每个单位取样时间的距离信息送往上述车体控制用ECU。

如上所述，激光照射受光装置100发射的激光(照射光)照射到其他车辆后，受到其他车辆反射的反射光中经过与照射光相同光路返回激光照射受光装置100的成分入射PD21。PD21将入射的反射光转化成电信号，该电信号通过信号放大电路23放大后，经由连接器250送往控制电路单元200。

由于距离测定装置1000与其他车辆之间的距离充分大于各激光照射受光装置100中的LD11和PD21之间的距离，因此认为激光照射受光装置100发射的照射光的光路与返回该激光照射受光装置100的反射光光路相同。返回激光照射受光装置100的激光(反射光)通过聚光透镜22分别在水平方向和铅直方向上会聚后入射PD21。因此，可以根据PD21的受光面大小以及聚光透镜22的焦距设定水平方向和铅直方向的受光角度范围，设定该受光角度范围与照射角度范围基本相同，用来抑制外部散乱光入射PD21所造成的杂音，实现高精度距离测定。

在本实施方式中，为了确保水平方向的受光角度范围，使用受光面形状为水平方向(γ轴向)长度较大的PD21。而γ轴向的受光角度范围取决于PD21的受光面的γ轴向全长以及聚光透镜22的焦距，例如，如果PD21的受光面γ轴向全长为12.7mm，聚光透镜22的焦距为17mm，则γ轴向的受光角度范围为40°，这样便能够获得较大的受光角度范围。

进而如上所述，如图5所示，沿水平方向(γ轴向)区域分割PD21具有如下效果。通过单独处理入射PD21各受光区域的反射光，获得距离计算信息，能够将水平方向上的受光角度范围分割成多个具有更小的受光角度范围来进行测距。例如，设定水平方向的受光角度范围为40°，并且在水平方向上排列16个受光区域，此时，角度分辨率可提高到2.5°，这与不进行区域分割的情况相比，进一步有利于认知其他车辆。而且，每个受光区域的受光面积小，有助于PD响应速度的提高，有利于高精度的时间计测，从而提高距离测定精度。

上述本实施方式的距离测定装置1000具有光照射装置和受光装置，该光照射装置用于发射多束(例如两束)激光作为照射光，经由各自的光路，照射其他车辆(对象体)，该多束照射光的光路在XY平面(规定的假想平面)上呈辐射状分布，该受光装置用于接受受到受到其他车辆反射照射光形成的多束(例如两束)反射光。

据此，上述光照射装置能够发射多束(例如两束)照射光，该照射光的光路在XY平面上呈辐射形分布，基本上互不重叠。为此，距离测定装置1000不仅有利于装置小型化，而且该距离测定装置1000能够针对激光光束的数量以及各束激光在XY平面内的发散角度(照射角度范围)，获得XY平面内最大的总照射角度范围。

其结果，例如在用激光照射其他车辆上沿单轴方向(例如X轴向)的规定区域时，不再需要设置偏转反射镜等可动部件来对其他车辆进行激光扫描，也就是说，能够在短时间内测定与该规定区域内多个部位之间的距离，而不会引起成本上升。而且由于不需要设置上述可动部件，因而可以简化结构和控制，抑制振动发生，提高装置的可靠性。

光照射装置发射的两束激光即照射光在XY平面内具有规定的发散角(例如40°)。

在这种情况下，可以用两束激光在XY平面内获得较大的照射角度范围(例如80°)。

两台激光照射受光装置100a和100b实质上具有相同结构，为此能够使用同样的元件，利用相同的组装工序，有利于降低制造成本。

在激光照射手光装置100中，采用长方体形状的部件构成保持部件30，该保持部件30中收纳的光照射单元10和受光单元20在Z轴向上靠近设置。而在距离测定装置1000中，两台激光照射受光装置100沿着X轴向设置，有利于装置的小型化。

控制电路单元200单独对各激光照射受光装置100进行控制，为此，各激光照射受光装置100大致同时取得检测到的时间信息(发光时刻和受光时刻之间的差值)，并基于该时间信息计算距离。

两台激光照射受光装置100a和100b被设置为该两者的光路呈辐射状布置，为此，可以通过增加激光照射受光装置100的数量，来加大距离测定装置100的总照射角度范围。而若要将多条激光光路并排布置在XY平面上，采用图1所述的本实施方式最为简便，即在筐体300上，用不同的相对于筐体300的安装角度来安装两台激光照射受光装置100。

增加激光照射受光装置100的数量，还能够汇集各激光照射受光装置100负责的距离检测角度范围(照射角度范围和受光角度范围中范围较小一方)内的距离信息，生成测距地图。而且还可以将控制电路单元中的发光控制电路和比较器作为共同使用的部件，用开关来切换共同使用部件与各激光照射受光装置中的光源驱动电路以及信号放大电路之间的连接，减少控制电路单元的部件数量，进一步降低成本。

以下利用图6～图18说明上述实施方式的变形例。在以下变形例的说明中，主要针对与上述实施方式的不同之处进行说明，而对具有与上述实施方式相同结构的部件赋予相同标记，并省略说明。

<第一变形例>

第一变形例如图6所示，其与上述实施方式的不同之处在于，两台激光照射受光装置100的设置方式、以及在各激光照射受光装置100的光照射单元10和受光单元20中位于+Y一侧设有偏转板550。

在第一变形例的距离测定装置2000中，相对于筐体300以相同的安装角度设置两台激光照射受光装置100。具体为两台激光照射受光装置100被设置为光照射单元的照射方向(LD11的发射方向)均平行于+Y方向。

在各激光照射受光装置100上设置偏转板550，该偏转板550位于光照射单元10和受光单元20的+Y一侧。从光照射单元10发射的的激光(照射光)经过偏转板550偏转后，透过光透射窗部件400，入射其他车辆。

以下进一步详述。位于-X一侧的激光照射受光装置100a向+Y方向发射的激光经过偏转板550a的偏转，在XY平面内相对于Y轴向-X一侧倾斜，与Y轴之间形成例如20°，而后照射其他车辆。而位于+X一侧的激光照射受光装置100b向+Y方向发射的激光经过偏转板550b的偏转，在XY平面内相对于Y轴向+X一侧倾斜，与Y轴之间形成例如20°，而后照射其他车辆。据此，照射光的发散角即照射角度范围为40°，总照射角度范围θ0为80°。即具有40°照射角的两条照射光光路在XY平面内呈辐射状分布。此外，两块偏转板550a和550b实质上具有相同结构，但相对于YZ平面对称设置。

受到其他车辆反射的一部分反射光经由与入射光(照射光)相同的光路入射偏转板550a和550b，受到偏转后，沿着-Y轴向入射受光单元20。

用入射面和射出面中至少一方为棱镜的部件作为偏转板550比较简单，而采用如图14所示的部件也同样具有效果，图14的部件的入射面和射出面中至少一方形成为闪耀光栅(blazed grating)。

下式(1)可用于计算闪耀光栅中光栅角度β与光栅间隔d之间的关系。

在此，λ为波长，m为衍射次数。

衍射高度h以下式(2)表示。

在此，n表示偏转板的折射率，N表示单位长度的光栅数量(＝1/d)。

例如，当设定距离测定装置使用的激光的波长为905nm、材料折射率n为1.52时，如果要获得一次衍射光的偏转角度(衍射角度)为40°，需要光栅间隔d为1.41μm，光栅高度h为1.20μm。

这样，通过设定光栅间隙d和光栅高度h，便能够得到以所要的衍射角度来衍射激光的偏转板。进而，闪耀光栅的性能与偏转板的厚度无关，因此，与使用棱镜相比，本变形例有利于薄型偏转板的使用，进一步有助于装置小型化。

第一变形例与上述实施方式相比，能够将两台激光照射受光装置100设置得更加靠近，有利于装置小型化。

<第二变形例>

第二变形例如图7所示，其与上述实施方式以及上述第一变形例的不同之处在于激光照射受光装置100的数量以及光透射窗部件410具有偏转激光的功能。

第二变形例的距离测定装置3000具有四台激光照射受光装置100，该四台激光照射受光装置沿着X轴向排设在筐体300内部，向着+Y方向(LD11得发射方向)照射激光。

光透射窗部件410上形成闪耀光栅650，各台激光透射受光装置100发射的激光入射闪耀光栅650，发生偏转后照射其他车辆。

以下进一步详述。位于最-X一侧的激光照射受光装置100向+Y轴向发射的激光受到闪耀光栅650的偏转后，在XY平面内相对于+Y轴向向-X一方倾斜30°，入射其他车辆。设置于X轴向中间的两台激光照射受光装置100中，位于-X一方的激光照射受光装置100向+Y轴向发射的激光受到闪耀光栅650的偏转后，在XY平面内相对于+Y轴向向-X一方倾斜10°，入射其他车辆。而位于+X一方的激光照射受光装置100向+Y轴向发射的激光受到闪耀光栅650的偏转后，在XY平面内相对于+Y轴向向+X一方倾斜10°，入射其他车辆。位于最+X一侧的激光照射受光装置100向+Y轴向发射的激光受到闪耀光栅650的偏转后，在XY平面内相对于+Y轴向向+X一方倾斜30°，入射其他车辆。在此，例如设定照射光的发散角(照射角度范围)为20°，总照射角度范围则为80°。换言之，本变形例在XY平面上按辐射状排设四台发散角为20°的激光照射受光装置。

也就是说，闪耀光栅650具有以YZ平面为中心的对称形状，其光栅间隙d以及光栅高度h的设定使得位于X轴向中间的两台激光照射受光装置100所对应的区域的衍射角度较小(10°)，位于X轴向两端的两台激光照射受光装置100所对应的区域的衍射角度较大(30°)。

第二变形例中的光透射窗部件410例如可以形成为，在光学玻璃板或塑料板上构成X轴向衍射形状不同的闪耀光栅，并用透射部件覆盖于外部，而透射部件不是必备部件。

第二变形例中的受光单元的受光角度范围例如可设为与照射角度范围相同，均为20°。

第二变形例具有用光透射窗部件410来偏转激光的功能，与上述第一变形例相比，有助于减少零件数量和组装工序，从而能够降低制造成本。

<第三变形例>

第三变形例如图8和图9所示，其与上述实施方式的不同之处在于各激光照射受光装置中的受光单元结构。

第三变形例的受光单元中聚光光学***包括两片柱形透镜310和320。

在上述实施方式和上述各种变形例的距离测定装置中，多个激光照射受光装置沿X轴向排设。在这种情况下，如果要使装置小型化，需要减小激光照射受光装置的γ轴向厚度。另一方面，如果要增加距离检测角度范围，则需要尽量加大聚光光学***中的聚光透镜的面积。

为了满足上述要求，上述实施方式以及包括本变形例在内的各种变形例中的保持部件以及该保持部件内部收纳的聚光透镜需要具有较大长宽比的形状，即平行于Z轴的长度较大，平行于γ轴的宽度较小。

此外，聚光光学***的焦距越短，越有利于减小激光照射受光装置厚度(平行于α轴的宽度)，有利于实现距离测定装置小型化。

受光角度范围仅与水平方向(γ轴向)的角度范围有关，若要加大受光角度范围只需增加水平方向上的角度范围。至于铅直方向(Z轴向)，可以用照射光在铅直方向(Z轴向)上的发散角度作为角度范围。

具体来说，例如水平方向的受光角度范围需要为10°～50°，而铅直方向的受光角度范围只需要几°便可。对此，换成用聚光光学***的性能来描述，即水平方向上需要用短焦点来聚光，而在铅直方向上，焦距可相对较长。

在此，第三变形例中聚光光学***包括例如沿α轴向排列设置的两片柱形透镜，分别用于在水平方向和铅直方向上单独会聚从其他车辆反射的反射光。具体为，在铅直方向上用位于+α一侧的第一柱形透镜310会聚其他车辆的反射光，在水平方向上用位于-α一侧的第二柱形透镜320会聚该反射光，经过会聚后反射光入射PD21。

也就是说，第一柱形透镜310的αZ截面形状为向+α方向弯曲凸出(参见图8)，入射面在Z轴向具有正折射力。第二柱形透镜320的αγ截面形状为向+α方向弯曲凸出(参见图9)，入射面在γ轴向具有正折射力。

在通常情况下，透镜外形越大越难以进行短焦点会聚。为此，对于透镜长度较大的铅直方向，用位于+α一侧(相对远离PD21)的第一柱形透镜310来会聚反射光。而在水平方向上，由于透镜长度较短，因此短焦点聚光相比于铅直方向容易。为此，在透镜长度(宽度)较短的水平方向，用-α一侧(相对靠近PD21)的第二柱形透镜320来会聚反射光。

如上所述，第三变形例的聚光光学***包括两片柱形透镜310和320。与上述实施方式和变形例相比，该第三变形例能够减小激光照射受光装置的γ轴向和α轴向的大小，有利于装置小型化。

可以将上述第三变形例中的两片柱形透镜310和320之间的位置关系改为与上述相反。

此外，还可以将第一以及第二柱形透镜的射出面也形成为柱形曲面。

<第四变形例>

第四变形例如图10和图11所示，其与上述实施方式的不同之处在于聚光光学***中的聚光透镜的构成。

第四变形例的聚光透镜510的入射面为第一柱形曲面，射出面为第二柱形曲面。

第一柱形曲面在平行于Z轴的方向上具有正折射力，其αZ截面形状向+α一方弯曲凸出(参见图10)。第二柱形曲面在平行于γ轴的方向上具有正折射力，其αγ截面向-α一方弯曲凸出(参见图11)。

在第四变形例中，从其他车辆反射的反射光入射聚光透镜510，经过第一柱形曲面在铅直方向(平行于Z轴的方向)上聚光，以及第二柱形曲面在水平方向(平行于γ轴的方向)上聚光后，入射PD21。首先，在透镜长度较大的铅直方向上，用远离PD21的第一柱形曲面聚光，使第一柱形曲面起到相对长焦点的聚光面作用。而后，在透镜长度较短的水平方向上，用相对接近PD21的第二柱形曲面聚光，使第二柱形曲面起到相对短焦点的聚光面作用。第二柱形曲面的形状为球面时，平行光会聚通常会发生较大的球面像差，为此，优选第二柱形曲面采用能够进行像差补偿的非球面形状。

第四变形例的聚光透镜510具有聚光方向相互正交的入射面和射出面，因而与上述第三变形例相比，进一步有利于减少零件数量和简化聚光光学***的光轴调整作业，有望降低制造成本。

可以将上述第四变形例的第一柱形曲面和第二柱形曲面之间的位置关系改为与上述相反。即以第一柱形曲面为射出面，以第二柱形曲面为入射面。

<第五变形例>

第五变形例如图12和图13所示，其与上述实施方式之间的不同之处在于聚光光学***的结构。

第五变形例的聚光光学***包括聚光元件610。聚光元件610的入射面为球面形状或非球面形状的柱形曲面，用于在水平方向上会聚反射光(参见图13)。射出面上设有在铅直方向会聚激光的闪耀光栅。

上述实施方式和各种变形例在水平方向进行区域分割，将距离检测角度范围作高精度分离，为此，用聚光元件610会聚反射光时，尤其需要提高水平方向的分辨率。换言之，在水平方向会聚反射光时，优选用聚光透镜中远离PD21的入射面会聚反射光，用以尽量消除像差的影响。

而在铅直方向上，只要将反射光导入PD21的受光区域内便可，不需要具有如同水平方向的高分辨率。为此，在铅直方向，优选用聚光透镜中相对接近PD21的射出面来聚光。

但是，由于铅直方向的透镜长度较大，而且相比于水平方向的聚光面(入射面)更加需要成为短焦距，因此，透镜的NA(数值孔径)值变得十分大。例如铅直方向的长度为30mm、焦距为10mm的透镜时，该透镜的NA为0.83，而廉价的普通折射透镜，即球面或非球面之类的透镜则难以达到如此聚光性能。

对此，第五变形例中的聚光元件610的射出面上形成闪耀光栅，该闪耀光栅具有平行于Z轴的正折射力，利用衍射的光偏转作用，在Z轴方向上会聚来自其他车辆的反射光，而后将该光导入PD21。

图14是激光通过闪耀光栅在单轴向上会聚的状态的示意图。用上述式(1)和式(2)计算光栅间隙d以及光栅高度h，进而获得闪耀光栅的衍射角度β。

图15是衍射角度β与光栅间隙d之间关系的图。图16是衍射角度β与光栅高度h之间关系的图。此时，激光的波长为905nm，衍射次数为1，透镜材料的折射率为1.52。

根据图15和图16可知，用闪耀光栅的光栅间隙d以及光栅高度h可以得到衍射角度β。

对此，聚光元件610的射出面上的闪耀光栅被形成为，越靠近该聚光元件610外侧，衍射角度β越大，即光栅间隙d和光栅高度h越小。这样，该闪耀光栅便能够将入射的平行光会聚到十分微小的范围内。

例如，对于NA＝0.83的透镜，可设定有效范围的最外侧的衍射角度约为56°，该区域中光栅间隙为1.1μm，光栅高度为0.94μm。与此相同，设定透镜面内侧各区域中的光栅间隙d和光栅高度h，将入射聚光元件610的平行光会聚到PD21上。

在聚光元件610的中心附近的区域中，透镜NA较小，可以用折射面聚光。

在第五变形例中，聚光元件610的射出面如图12所示，其中心附近形成球面或非球面形状的折射面，其外侧形成闪耀光栅。这样，便能够尽量使得Z轴方向成为短焦点，尽可能地使聚光元件610靠近PD21，实现装置小型化。此外，聚光元件610的射出面的中心附近也可以用闪耀光栅来取代折射面。

通常，为了抑制产品成本，聚光元件610用塑料作为透镜材料，对于上述具有闪耀光栅的聚光元件，可采用注塑成形方式制作，这样便不会聚光元件的制造成本产生不利影响。

如上所述，第五变形例能够以低成本提供水平方向高精度分割受光角度范围的小型距离测定装置。

此外，在第五变形例中，在聚光元件的射出面上形成闪耀光栅，对此，入射面上也可形成闪耀光栅，或者用在入射面上形成闪耀光栅的来取代射出面上的闪耀光栅。在聚光元件的入射面上形成闪耀光栅时，射出面可形成为柱形曲面。

<第六变形例>

第六变形例如图17所示，其与上述实施方式之间的不同之处在于LD11的发光方法。

图17是第六变形例的距离测定装置中的调制激光的时间波形图。

如上所述，每当达到规定的取样时间时，距离测定装置取得的据理信息被送往车体控制用ECU。而取样时间中包含LD11的发光时间，在该发光时间中，按一定的时间间隔(发光间隔)反复发送具有规定的发光峰值和脉冲宽度的光脉冲即激光。

详细如下。例如，设定光脉冲的脉冲宽度为几纳秒至几十纳秒，发光间隔为几微秒至几十微秒。此外，配合视觉照相机的刷新速率，设定取样时间，例如约为30毫秒，如果设发光间隔10微秒中进行300次脉冲发光，则取样时间中实际用于发生光脉冲的时间为3毫秒。这样，用短时间内多次发射的光脉冲作为照射光，并对反射照射光的反射光的各受光信号进行平均，能够提高受光信号的NS比，有利于高精度距离测定。

普通的距离测定装置以照射位于离开10米左右的对象物为目标进行设计，为此，LD的发光峰值较大，保持在10W左右。

但是，距离测定装置不仅要能够测定上述较远处的对象物，还需要能够正确测定与位于装置附近(例如1米以内)的对象物之间的距离。在这种情况下，用具有较大发光脉冲峰值的光脉冲照射对象物，反射光强度十分大，超出PD能够检测的最大光强度。收到这样的反射光时，受光信号的波形呈一定时间输出饱和的形态，而且光输入带来的电噪声(散粒噪声)也将增加。换言之，装置近旁对象物的距离测定精度将显著下降。

对此，第六变形例在发光时间内设定光脉冲的发光峰值两个不同的时间带。发光峰值较小的时间带用于测定位于距离测定装置近旁的对象物，发光峰值较大的时间带用于测定远离距离测定装置的对象物。

具体如下，在用于检测与普通对象物之间距离的常用检测时间带之前，设定用于检测与位于装置近旁的对象物之间距离的近旁检测时间带。该近旁检测时间带中的LD发光峰值小于常用检测时间带中的LD发光峰值。进一步详细来说，设常用检测时间带中的发光峰值范围为30W至100W，而近旁检测时间带中的发光峰值为1W以下。在一般情况下，发光峰值越小，就越能够形成高精度的脉冲时间波形，而且LD驱动电路发生的电噪声也越小。进而，还能够减小反射光输入引起的散粒噪声，有利于提高装置近旁对象物的距离测定精度。

在距离测定时，首先在近旁检测时间带中进行装置近旁的检测，如果此时收到有意义的受光信号，即对象物位于装置近旁时，采用该测定数据，并废除而后在常用检测时间带中检测的测定数据。相反，如果没有收到有意义的受光信号，即装置近旁没有对象物时，则采用在常用检测时间带中检测的测定数据。

第六变形例在发光时间内设定两个不同发光峰值不同的时间带，为此，不仅能够增加其他车辆距离测定的射程范围，而且能够在装置近旁进行高精度距离测定。

上述第六变形例在发光时间内设定两个不同发光峰值不同的时间带，但该时间带也可以设定为三个以上。后者可以根据与其他车辆之间的距离来使用发光峰值进行距离测定，提高距离检测精度。在这种情况下，可以任意设定发光峰值和时间带。

在上述第六变形例中，发光峰值较小的时间带在先、较大的时间带在后，但该先后顺序也可以相反。

<第七变形例>

第七变形例如图18所示，其与上述实施方式之间的不同之处在于，第七变形例的激光照射受光装置的LD驱动电路和信号放大电路被设在同一块基板上。

换言之，第七变形例将激光照射受光装置中位置相近的LD驱动电路和信号放大电路设置在同一块基板上。

这样，第七变形例减少了激光照射受光装置中的基板(电路基板)的数量，有助于减少元件数量以及连接器的连接工序，从而有利于降低装置的制造成本。

在上述实施方式以及各种变形例中，距离测定装置具备以箱形部件构成的筐体300，用于按照规定的位置关系收纳多个激光照射受光装置，对此，可以用例如保持框架来取代上述筐体300，在该保持框架上按照规定的位置关系保持多个激光照射受光装置。

在上述实施方式以及各种变形例中，光透射窗部件被安装在筐体+Y一方侧壁上的开口部中，对此，也可以不设光透射窗部件，让照射光和反射光通过上述开口部。

在上述实施方式中，在水平方向上将水平方向的受光角度范围分割为五个区域，但是，本发明对分割的区域数量不作限制。

在上述实施方式以及各种变形例中，在水平方向上将水平方向的受光角度范围分割为五个区域，对此，还可以进一步在铅直方向上分割铅直方向的受光角度范围，或者用在铅直方向上分割铅直方向的受光角度范围来取而代之。

在上述实施方式以及各种变形例中，多个激光照射受光装置被设置为沿着平行于X轴的方向排列，但是本发明并不受此限制，还可以例如也可以沿着除X轴以外的其他轴向排列设置多个激光照射受光装置。

在上述实施方式以及各种变形例中，多个激光照射受光装置沿着平行于X轴的方向排列，但是本发明并不受此限制，例如沿着平行于Z轴的方向重叠设置的多个激光照射受光装置单元，而各个激光照射受光装置单元中包含沿着平行于X轴的方向排列设置的多个激光照射受光装置。

在上述实施方式以及各种变形例中，用按照一定时间间隔(发光间隔)反复发生以极短时间(几纳秒至几十纳秒)宽度发光的脉冲波形、作为经过时间调制的激光波形。除此之外，还可以对LD予以正弦波、三角波等强度调制，发射经过强度调制的激光。

在除第二变形例以外的其他变形例以及上述实施方式中，距离测定装置发射的多束激光具有相同的发散角，对此，也可以设各束激光具有不同的发散角。

本发明可以对上述实施方式以及各变形例作适当的更改。例如，保持部件除了长方体箱形部件以外，还可以用其他部件如保持框架等构成。光照射单元和受光单元的至少一方可以不收纳在保持部件内。虽然上述光照射单元和受光单元受到一体支持，但也可以分开支持。可以适当改变光照射单元和受光单元之间的位置关系。还可以适当改变光照射单元和受光单元的结构，例如，聚光光学***中至少一个部件、耦合透镜12以及柱形透镜13不是必须具备的部件。

上述实施方式以及各种变形例中采用边射型半导体激光器(LD)作为激光发射器，除此之外，还可以采用面射型半导体激光器(VCSEL)等其他激光发射器。

在上述实施方式以及各种变形例中，设定各激光照射受光装置的照射角度范围和受光角度范围为20°或40°，但是本发明不受此限制。本发明的照射角度范围和受光角度范围优选为10°至50°，更加优选为20°至40°。

上述实施方式以及各种变形例中将PD的受光面分割为多个区域，其意旨为PD具有多个受光部。

上述实施方式以及各种变形例中用光电二极管(PD)作为受光元件，但是本发明并不受此限制，还可以用例如光电晶体管等元件。

上述实施方式以及各种变形例中的距离测定装置具备两台或四台激光照射受光装置，但是本发明并不受此限制，也可以具备例如三台或五台激光照射受光装置。在后者的情况下，多台激光照射受光装置也被设置为使得多条照射光(激光)光路在XY平面上呈辐射状排列，因而能够按照激光光束的数量和激光的散发角度获得尽可能大的照射角度范围。

上述实施方式以及各种变形例中，多个激光照射受光装置的照射角度范围互不重叠，对此，为了防止漏测，相邻两个照射角度范围可以稍微重叠。

上述实施方式以及各种变形例中，柱形透镜13的入射面具有负折射力，对此，还可以在此基础上使得柱形透镜13的射出面也具有负折射力，或者用射出面具有负折射力来取代入射面具有负折射力。

在上述第一变形例和第二变形例中，多个激光照射受光装置被设置为使得LD11的发射的光束在XY平面内互相平行，对此，也可以使得LD11的发射的光束在XY平面内互不平行。

上述实施方式以及各种变形例中，多条照射光光路在XY平面内呈辐射状分布，除此之外，多条照射光光路还可以在除XY平面以外的其他假想平面内呈辐射状分布。

Claims (19)

1.一种距离测定装置，用于发射激光作为照射光，照射对象物，并接受该对象物反射的反射光，用该反射光测定与该对象物之间的距离，其特征在于，包括以下装置：

光照射装置，用多束所述照射光照射所述对象物，该多束照射光的光路在规定的假想平面上呈辐射状分布；以及，

受光装置，用于接受受到所述对象物反射多束所述照射光形成的多束反射光，并且

其中，所述光照射装置包含多个光照射单元，该多个光照射单元在假想平面上分开设置，并分别具备激光光源以及设置在该激光光源发射的照射光的光路上的照射光学***，所述多个光照射单元照射的激光在所述假想平面上发散角范围均为20°至40°，

所述受光装置包含多个受光单元，该多个受光单元分别与多个所述光照射单元相对应，并且在所述假想平面的正交方向上，所述受光单元与对应的光照射单元互相分开设置，

多个所述受光单元各分别具有受光元件和聚光光学***，该受光元件与所述光照射单元中的激光光源相对应，所述聚光光学***用于使得所述对象物反射对应的激光光源发射的照射光所形成的反射光会聚到所述受光元件上，

所述聚光光学***至少包含一个聚光元件，该聚光元件形成为使得与所述假想平面正交方向上的大小大于与所述假想平面平行方向上的大小。

2.根据权利要求1所述的距离测定装置，其特征在于，从多个所述光照射单元射出的照射光的光路互不平行。

3.根据权利要求1所述的距离测定装置，其特征在于，所述光照射装置具有偏转部件，该偏转部件位于多束所述照射光经过各自的所述光照射单元中的照射光学***后的光路上，用于使得所述照射光在所述假想平面上发生偏转。

4.根据权利要求3所述的距离测定装置，其特征在于，所述偏转部件的入射面和射出面的至少一方设有闪耀光栅。

5.根据权利要求3所述的距离测定装置，其特征在于，其中进一步具备以下部件：

筐体，用于收纳所述光照射装置和所述受光装置；以及，

光透射窗部件，位于多个所述光照射单元发射的多束照射光的光路上，

所述偏转部件为形成在所述光透射窗部件上的闪耀光栅。

6.根据权利要求1所述的距离测定装置，其特征在于，将所述多个光照射单元与对应的所述多个受光单元一体设置。

7.根据权利要求1所述的距离测定装置，其特征在于，所述受光元件包含多个受光部，在所述假想平面上沿着单一轴向排列设置该多个受光部。

8.根据权利要求7所述的距离测定装置，其特征在于，所述聚光光学***包含第一柱形透镜和第二柱形透镜，该第一柱形透镜用于在与所述单一轴向正交的方向上会聚所述对象体的反射光，该第二柱形透镜用于在所述单一轴向上会聚所述对象体的反射光，在平行于所述照射光的照射方向的方向上，所述第一柱形透镜与所述第二柱形透镜分开设置。

9.根据权利要求8所述的距离测定装置，其特征在于，所述第二柱形透镜比所述第一柱形透镜更靠近所述受光元件。

10.根据权利要求7所述的距离测定装置，其特征在于，将所述聚光光学***的入射面和射出面中的一方形成为第一柱形曲面，另一方形成为第二柱形曲面，该第一柱形曲面在与所述单一轴向正交的方向上会聚所述反射光，该第二柱面曲面在所述单一轴向上会聚所述反射光。

11.根据权利要求10所述的距离测定装置，其特征在于，在所述聚光光学***的入射面上形成所述第一柱形曲面，并在所述聚光光学***的射出面形成所述第二柱形曲面。

12.根据权利要求7所述的距离测定装置，其特征在于，所述聚光光学***具有在射出面上形成闪耀光栅的聚光元件，该闪耀光栅用于在与所述单一轴向正交的方向上会聚所述反射光。

13.根据权利要求12所述的距离测定装置，其特征在于，在所述聚光元件的入射面上形成柱形曲面，该柱形曲面用于在所述单一轴向上会聚所述反射光。

14.根据权利要求7至13中任意一项所述的距离测定装置，其特征在于，进一步具备距离计算电路，该距离计算电路根据所述激光光源的发光时间和所述受光元件中多个受光部各自的受光时间，计算该距离测定装置与所述对象物上沿所述单一轴向的、多个与所述受光部对应的部位之间的距离。

15.根据权利要求1至13中任意一项所述的距离测定装置，其特征在于，进一步具备光源驱动电路，用于向所述激光光源提供调制电流，用以驱动该激光光源发射激光，该光源驱动电路在发光时间内向所述激光光源提供的调制电流为具有多个不同峰值的调制电流。

16.根据权利要求15所述的距离测定装置，其特征在于，进一步具备受光信号放大电路，用于放大所述受光元件输出的受光信号，该受光信号放大电路与所述光源驱动电路被设置在同一块基板上。

17.根据权利要求1至13中任意一项所述的距离测定装置，其特征在于，所述照射光学***位于所述激光光源发射的照射光的光路上，并具有柱形透镜，该柱形透镜用于使得所述照射光在平行于所述假想平面的平面上发散。

18.根据权利要求17所述的距离测定装置，其特征在于，所述照射光学***具有耦合透镜，该耦合透镜位于所述激光光源与所述柱形透镜之间的所述照射光的光路上，用于使得该照射光成为平行光。

19.根据权利要求1至13中任意一项所述的距离测定装置，其特征在于，所述激光光源为边射型半导体激光器，其中的层压体被形成在与所述假想平面平行的基板上。