CN107894594A - 投射光学***和物体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及投射光学***和物体检测装置。具体地，一种投射光学***包括：激光二极管；激光二极管模块，该激光二极管模块具有一行排列的多个激光二极管；光投射镜头，该光投射镜头调节从各激光二极管发出的光的展开；以及光偏转器，该光偏转器使通过光投射镜头后的光偏转，并把偏转后的光照射至对象物。激光二极管发光，使得光在第一方向上以第一角度展开，并且在第二方向上以第二角度展开，第二角度比第一角度宽，并且第二方向与第一方向垂直。激光二极管模块被布置为使得其排列方向与第一方向一致，并且激光二极管模块沿着第二方向放置，且在第一方向上彼此错开。光投射镜头被布置为与激光二极管模块对应。

Description

投射光学***和物体检测装置
相关申请的交叉引用
本申请基于2016年10月4日在日本专利局提交的日本专利申请第2016-196111号，此处以引证的方式将该申请的整个内容并入。
技术领域
本公开涉及具有多个激光二极管的投射光学***和包括该投射光学***的物体(object)检测装置。
背景技术
例如，诸如用于车载的激光雷达的物体检测装置包括：投射光学***，该投射光学***投射光；光接收光学***，该光接收光学***接收被投射并被对象物反射的光；等等。
如在JP H07-183621 A、JP 2014-32149 A、JP 2014-235075 A、JP 2015-137951A、JP 2004-146720 A、JP H09-232677 A、JP 2014-154851 A以及JP 2016-115767 A中公开的，一种投射光学***包括：作为光源的激光二极管，和调节从激光二极管发出的光的展开的光学部件(诸如光投射镜头)。光接收光学***包括光接收元件，该光接收元件接收从投射光学***投射并被对象物反射的光；等等。
另外，如在JP 2014-32149 A、JP 2014-235075 A以及JP 2015-137951 A中公开的，还存在包括光偏转器的投射光学***和光接收光学***，该光偏转器使通过光投射镜头后的光偏转并将偏转后光投射到对象物上，并且使从对象物反射的光偏转并允许经偏转光进入光接收元件。
物体检测装置基于从光接收元件输出的光接收信号来确定是否存在对象物。另外，还存在物体检测装置，该物体检测装置基于例如从激光二极管发光的时间直到光接收元件接收从对象物反射的光为止的时间段，来检测从物体检测装置到对象物的距离。
例如，为了扩大对象物检测范围或为了提高检测精度，多个激光二极管用作光源。还存在内部多个激光二极管沿一个方向排列的模块(例如，JP H07-183621 A、JP2015-137951 A、JP 2004-146720 A、JP H09-232677 A、JP 2014-154851 A以及JP2016-115767A)。另外，还存在内部这种多个激光二极管模块沿一个方向堆叠在彼此顶部上的装置(例如，JP 2004-146720 A、JP 2014-154851 A以及JP 2016-115767 A)。此外，存在包括冷却从激光二极管生成的热量的冷却结构的激光二极管模块(例如，JP 2004-146720 A、JP H09-232677 A、JP 2014-154851 A以及JP 2016-115767 A)。
在JP 2014-32149 A、JP 2014-235075 A以及JP 2015-137951 A中，多个激光二极管沿与光偏转器偏转并扫描光的方向垂直的上下方向(例如，车身的上下方向)并排布置。
一些激光二极管具有以下特性：在与所发的光的光轴垂直的平面内，所发的光在一个方向上以窄角展开，并且在与该一个方向垂直的方向上以广角展开(例如，JP2014-32149A)。
当多个激光二极管或多个激光二极管模块用作光源时，如果激光二极管或激光二极管模块在一个方向(诸如上下方向)上布置成行，则投射光学***或物体检测装置在一个方向上尺寸增大。
发明内容
本公开的目的是实现包括多个激光二极管或激光二极管模块的投射光学***和物体检测装置的小型化。
根据本公开的一个或更多个实施方式的投射光学***包括：激光二极管，该激光二极管是光源；激光二极管模块，该激光二极管模块具有排列成行的多个激光二极管；光投射镜头，该光投射镜头被配置为调节从各个激光二极管发出的光的展开；以及光偏转器，该光偏转器被配置为使通过光投射镜头后的光偏转，并把偏转后的光照射至对象物。另外，根据本公开的一个或更多个实施方式的物体检测装置除了包括以上所描述的投射光学***之外，还包括光接收元件，该光接收元件被配置为接收从光偏转器投射的且被对象物反射的光，并且物体检测装置基于从光接收元件输出的光接收信号来检测是否该对象物。然后，激光二极管发光，使得光在第一方向上以第一角度展开，并且在第二方向上以第二角度展开，第二角度比第一角度宽，并且第二方向与第一方向垂直。多个激光二极管模块被布置为使得激光二极管的排列方向与第一方向一致，并且激光二极管模块在第二方向上并排，且在第一方向上彼此错开。多个光投射镜头被布置为使得光投射镜头与激光二极管模块分别对应。
根据以上描述，激光二极管模块被布置为使得多个激光二极管在第一方向上并排，并且这种多个激光二极管模块被布置为在与第一方向垂直的第二方向上并排，并在第一方向上彼此错开。因此，减小在第一方向上的所占用的空间，这使得与多个激光二极管和多个激光二极管模块在第一方向上并排布置的情况相比，能够实现投射光学***和物体检测装置在第一方向上的小型化。另外，多个激光二极管在第一方向上排列成行，从激光二极管发出的光的展开角在第一方向上比第二方向窄。由此，不仅可以在第二方向上确保宽对象物检测范围，还在第一方向上确保宽对象物检测范围。此外，多个光投射镜头被布置为使得光投射镜头与多个激光二极管模块分别对应。由此，可以由对应的光投射镜头容易地调节从各激光二极管模块中的各激光二极管发出的光的展开。
在本公开的一个或更多个实施方式中，在上述描述中，还可以包括基板，该基板具有前表面和后表面，激光二极管模块中的一个激光二极管模块安装在前表面上，并且激光二极管模块中的另一个激光二极管模块安装在后表面上。即，多个激光二极管模块可以分开地安装在一个基板的两个表面上。
另外，在本公开的一个或更多个实施方式中，在上述描述中，多个光投射镜头可以被布置为在第一方向上并排，且在第二方向上彼此错开。
根据本公开的一个或更多个实施方式，可以实现包括多个激光二极管或激光二极管模块的投射光学***和物体检测装置的小型化。
附图说明
图1是根据本公开的一个或更多个实施方式的物体检测装置的电气配置图；
图2是示出了图1的物体检测装置的外观的图；
图3是示出了在图1的物体检测装置中包括的光学***的立体图；
图4A和图4B是示出了图3的激光二极管(LD)模块的详情的图；
图5是图3的LD模块和光投射镜头的放大立体图；以及
图6A至图6D是示出了图3的LD模块与光投射镜头之间的位置关系的图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本公开的实施方式。在附图中，相同或等效的部件由相同的附图标记来指定。在本公开的实施方式中，为了提供本发明的更彻底理解，阐述大量具体细节。然而，将对本领域普通技术人员明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，未详细描述公知特征，以避免使本发明模糊。
首先，将参照图1来描述本公开的一个或更多个实施方式的物体检测装置100的电气配置。
图1是物体检测装置100的电气配置图。物体检测装置100是用于车载的激光雷达。控制器1由CPU等组成，并且控制物体检测装置100的各单元的操作。
设置两个激光二极管(LD：laser diode)模块2A和2B。各个LD模块2A和2B被封装。各个LD模块2A和2B包括四个激光二极管(LD)。各LD是发出高功率光学脉冲的光源。充电电路3A和3B设置为与LD模块2A和2B一一对应。
控制器1允许充电电路3A和3B对在它们对应的LD模块2A和2B中的各LD充电，使得LD可以发光。另外，控制器1允许LD模块2A和2B中的各LD发光，以将光投射到对象物(诸如人或物体)上。
马达4c是用于稍后将描述的光偏转器4(图3等)的驱动源。马达驱动电路5驱动马达4c，并使其旋转。编码器6检测马达4c的旋转状态(角度、旋转次数等)。控制器1允许马达驱动电路5使马达4c旋转，以控制光偏转器4的操作。另外，控制器1基于来自编码器6的输出来检测光偏转器4的操作状态(操作量、操作位置等)。
封装光电二极管(PD)模块7。PD模块7包括作为光接收元件的PD、跨阻抗放大器(TIA)、复用器(MUX)以及可变增益放大器(VGA)(省略详细电路的描绘)。多个(例如，32通道)PD设置在PD模块7中。MUX向VGA输入来自TIA的输出信号。升压电路9向PD模块7中的各PD供给光电二极管的操作所需的升高电压。
控制器1允许LD模块2A和2B中的LD发光，由此，PD模块7中的PD接收被对象物反射的光。然后，控制器1允许PD模块7中的TIA和VAG对根据光接收状态从PD输出的光接收信号来执行信号处理。此外，控制器1允许A/D转换器8将从PD模块7输出的模拟光接收信号转换成数字光接收信号，并且基于数字光接收信号来检测是否存在对象物。另外，控制器1计算从LD发光的时间直到PD接收被对象物反射的光为止的时间段，并且基于该时间段来计算从物体检测装置100到对象物的距离。
存储器10由易失性或非易失性存储器组成。在存储器10中，例如存储用于由控制器1控制物体检测装置100的各单元的信息和用于检测对象物的信息。接口11由通信电路(诸如以太网(注册商标))组成。控制器1使用接口11向/从安装在车辆上的电子控制单元(ECU)发送/接收与对象物有关的信息，或发送/接收各种类型的控制信息。
接着，将参照图2到图6A至图6D描述物体检测装置100的结构和功能。
图2是示出了物体检测装置100的外观的立体图。图3是示出了在物体检测装置100中包括的光学***的立体图。
如图3所示，物体检测装置100的外壳12是矩形箱(如从前表面观看)。如图2所示，外壳12的开口12a被半透明盖13覆盖。半透明盖13被形成为具有预定厚度的圆屋顶形状。
被外壳12和半透明盖13围绕的内部空间容纳：物体检测装置100的光学***(诸如图3所示的光学***)，和图1所示的物体检测装置100的电气***(图3省略电气***的描绘)。图2的半透明盖13允许光通过外壳12的内部和外部。
物体检测装置100例如安装在车辆的前侧、后侧或左侧以及右侧，使得半透明盖13面向车辆的前侧、后侧或左侧以及右侧。此时，如图3所示，物体检测装置100安装在车辆100上，使得外壳13的短侧方向沿上下方向Z被定向。
如图3所示，在由外壳12等形成的内部空间中容纳的光学***包括：LD模块2A和2B、光投射镜头14A和14B、光偏转器4、反射镜15和17、光接收镜头16、以及PD模块7。
以上所描述的部件中，LD模块2A和2B、光投射镜头14A和14B、以及光偏转器4形成投射光学***。另外，光偏转器4、反射镜15和17、光接收镜头16、以及PD模块7形成光接收光学***。
图4A和图4B是示出了LD模块2A和2B的详情的图。图4B示出了图4A所示的部分F的放大图。
如图4A等所示，各个LD模块2A和2B被形成为薄矩形平行六面体形式。在各个LD模块2A和2B的侧表面2c上，具有沿上下方向Z排列成行的四个LD的发光部分。各LD发光(高功率光学脉冲)，使得光在第一方向(上下方向)Z上以第一角度θ1展开，并且在与第一方向Z垂直的第二方向Y上以比第一角度θ1宽的第二角度θ2展开。
图5是图3的LD模块2A和2B以及光投射镜头14A和14B的放大立体图。LD模块2A和2B单独安装在一个基板21的两个表面上。具体地，LD模块2A安装在基板21的前表面(外壳12的开口12a侧)21a上，并且LD模块2B安装在基板21的后表面(外壳12的内后侧)21b上。
从其暴露LD的发光部分的各个LD模块2A和2B的一个侧表面2c与基板21的一个侧表面21c对齐。由此，防止从LD模块2A和2B中的LD发出的光被基板21阻挡。
如图3所示，基板21固定在外壳12内，使得在基板21的前表面21a与LD模块2A的一个侧表面2c之间的边界、和在基板21的后表面21b与LD模块2B的一个侧表面2c之间的边界，与上下方向(第一方向Z)平行。因此，LD模块2A和2B布置在外壳12中，使得LD的排列方向与第一方向Z一致。另外，LD模块2A和2B布置在外壳12中，以便在基板21夹在中间的情况下在第二方向Y上并排，并且在第一方向Z上彼此错开(参见图3和图5)。
在该示例中，LD模块2B比LD模块2A布置在更高的位置中，且更多地布置在外壳12的内后侧上。另外，各个LD模块2A和2B中的LD的发光部分也以相同方式来布置。
在LD模块2A和2B的前面(发光方向X侧)，布置了与LD模块2A和2B分别对应的光投射镜头14A和14B。光投射镜头14A和14B调节从LD模块2A和2B中的各LD发出的光的展开。
图6A至图6D是示出了LD模块2A和2B与光投射镜头14A和14B之间的位置关系的图。图6A是如从外壳12的开口12a(图3等)侧看到的、LD模块2A和2B、基板21以及光投射镜头14A和14B的侧视图。另外，图6B是图6A的C-C剖面图，图6C是图6A的D-D剖面图，并且图6D是如从图6A的箭头E方向观看的视图。
图6A的C-C剖面和D-D剖面与X方向平行。X方向是水平方向。第一方向Z是与X方向垂直的方向。图6B至图6D的第二方向Y是与X方向和Z方向垂直的方向。
如图5和图6A至图6D所示，光投射镜头14A和14B布置在外壳12中，以便在第一方向Z上并排，并且在第二方向Y上彼此错开。在该示例中，光投射镜头14B比光投射镜头14A布置在更高的位置中，并且更多地布置在外壳12的内后侧上。
从LD模块2A中的各LD发出的光的展开由光投射镜头14A来调节。另外，从LD模块2B中的各LD发出的光的展开由光投射镜头14B来调节。
图3所示的光偏转器4包括马达4c、光投射镜4a以及光接收镜4b。马达4c安装在基板22上。光投射镜4a和光接收镜4b各由双面镜组成。
基板22固定在外壳12中，使得马达4c的转轴5(未示出)与Z方向平行。光投射镜4a连接到马达4c的转轴的一端(在图3中为上端)。光接收镜4b连接到马达4c的转轴的另一端(在图3中为下端)。因此，光投射镜4a和光接收镜4b连同马达4c的转轴一起旋转。
如图3中由短点短划线箭头指示的，从LD模块2A中的各LD发出的光的展开由光投射镜头14A来调节。其后，光被光偏转器4的光投射镜4a偏转，并通过半透明盖13(图2)，并且用该光照射对象物。另外，如图3中由长点短划线箭头指示的，从LD模块2B中的各LD发出的光的展开由光投射镜头14B来调节。其后，光被光投射镜4a偏转并通过半透明盖13，并且用该光照射对象物。
此时，由马达4c的旋转改变光投射镜4a的角度(方位)，由此，从LD发出的光扫描在半透明盖13外部的XY平面(水平面)内的预定角度范围内。另外，从LD模块2A中的LD发出的光被投射在半透明盖13的中心所属的XY平面下方(地面侧)的预定角度范围内。从LD模块2B中的LD发出的光被投射在例如半透明盖13的中心所属的XY平面上方(天空侧)的预定角度范围内。
反射镜15布置在外壳12开口12a附近的基板21下方。在外壳12的内后部中，光接收镜头16和反射镜17按该顺序布置，以便沿Y方向与反射镜15一起并排。光接收镜头16由聚光镜头组成。反射镜15和17以及光接收镜头16固定到外壳12。
另外，基板23布置在比光偏转器4更远的、外壳12的内后部。基板23固定到外壳12。PD模块7安装在面向反射镜17侧的、基板23的基板表面上。PD模块7包括以上所描述的PD等(图1)。
如以上所描述的，已经由投射光学***2A、2B、14A、14B、4以及4a投射且已经通过半透明盖13的光被对象物(诸如人或物体)反射。然后，所反射的光通过半透明盖13。其后，如图3中由双点短划线箭头指示的，所反射的光20被反射出光偏转器4的光接收镜4b，并进一步被反射镜15反射，并且进入光接收镜头16。此时，由马达4c的旋转改变光接收镜4b的角度(方位)，由此，被对象物反射的光在半透明盖13外部的XY平面(水平面)内的预定角度范围内，由光接收镜4b接收。
如图3中由短划线箭头指示的，已经经由光接收镜4b和反射镜15进入光接收镜头16的所反射的光由光接收镜头16收集，其后被反射镜17反射并由PD模块中的PD接收。然后，PD模块7和A/D转换器8对根据光接收状态从PD输出的光接收信号执行信号处理。其后，基于光接收信号，控制器1检测是否存在对象物，并且计算从物体检测装置100到对象物的距离。
根据例示性实施方式的物体检测装置100和投射光学***，各个LD模块2A和2B被布置为使得多个LD在第一方向(上下方向)Z上并排，并且两个LD模块2A和2B被布置为在与第一方向Z垂直的第二方向Y上并排，并在第一方向Z上彼此错开。因此，减小第一方向Z上的所占用空间，这使得与多个LD和多个LD模块2A和2B在第一方向Z上并排布置的情况相比，能够实现投射光学***和物体检测装置100在第一方向Z上的小型化。
另外，在例示性实施方式中，多个LD在第一方向Z上被排列成行，从LD发出的光的展开角在第一方向Z上比第二方向Y窄。因此，不仅可以在第二方向Y上确保宽对象物检测范围，还在第一方向Z上确保宽对象物检测范围。
另外，在例示性实施方式中，多个光投射镜头14A和14B被布置为使得投射镜头14A和14B与多个LD模块2A和2B分别对应。因此，可以由对应的光投射镜头14A和14B，来容易地调节从LD模块2A和2B中的各LD发出的光的展开。
另外，在例示性实施方式中，多个LD模块2A和2B分开地安装在基板21的两个表面上。因此，LD模块2A和2B可以被容易地定位在一个基板21的两个表面上，并且可以容易地布置在投射光学***和物体检测装置100中。
此外，在例示性实施方式中，多个光投射镜头14A和14B被布置为在第一方向Z上并排，并且在第二方向Y上彼此错开。因此，可以由对应的光投射镜头14A和14B沿第一方向Z容易地展开从LD模块2A和2B中的各LD发出的光。另外，从各LD发出的光可以由对应的光投射镜头14A和14B容易地调节，以便在预定状态下展开。
本公开还可以采用除了例示性实施方式之外的各种实施方式。例如，虽然例示性实施方式作为示例示出了设置有各包括四个LD的两个LD模块的投射光学***，但本公开不限于此。所安装的LD模块的数量可以为三个或更多个。另外，各LD模块中的LD的数量可以为两个、三个、或五个或更多个。此外，根据LD模块可以设置三个或更多个光投射镜头。
另外，虽然例示性实施方式示出了LD模块2A和2B分开地安装在一个基板21的两个表面上的示例，但本公开不限于此。除此之外，例如，多个LD模块可以安装在基板的一个表面上，或者可以安装在除了基板之外的基材上。即，多个LD模块的安装结构可以适当选择。
另外，虽然例示性实施方式示出了以下示例：光投射镜头14A和14B被布置为在第一方向Z上并排，并且在第二方向Y上彼此错开，但本公开不限于此。除此之外，例如，多个光投射镜头可以被布置为在第二方向Y上并排，并且在第一方向Z上彼此错开。即，多个光投射镜头的位置被设置为使得可以独立调节从多个LD模块发出的光。
此外，虽然例示性实施方式示出了本公开应用于用于车载的物体检测装置100和投射光学***的示例，但本公开还可以应用于用于其他应用的物体检测装置和投射光学***。
虽然已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但得益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计不偏离如这里公开的本发明的范围的其他实施方式。因此，本发明的范围应仅受所附权利要求限制。

Claims (6)

1.一种投射光学***，该投射光学***包括：
激光二极管，该激光二极管是光源；
激光二极管模块，该激光二极管模块具有排列成行的多个所述激光二极管；
光投射镜头，该光投射镜头被配置为调节从各个所述激光二极管发出的光的展开；以及
光偏转器，该光偏转器被配置为使通过所述光投射镜头后的光偏转，并把偏转后的光照射至对象物，
其中，所述激光二极管发光，使得所述光在第一方向上以第一角度展开，并且在第二方向上以第二角度展开，所述第二角度比所述第一角度宽，并且所述第二方向与所述第一方向垂直，
其中，多个所述激光二极管模块被布置为使得所述激光二极管的排列方向与所述第一方向一致，并且所述激光二极管模块在所述第二方向上并排，且在所述第一方向上彼此错开，并且
其中，多个所述光投射镜头被布置为使得所述光投射镜头与所述激光二极管模块分别对应。
2.根据权利要求1所述的投射光学***，其中，多个所述激光二极管模块分开地安装在一个基板的两个表面上。
3.根据权利要求1或2所述的投射光学***，其中，所述光投射镜头被布置为在所述第一方向上并排，且在所述第二方向上彼此错开。
4.一种物体检测装置，该物体检测装置包括：
激光二极管，该激光二极管是光源；
激光二极管模块，该激光二极管模块具有排列成行的多个所述激光二极管；
光投射镜头，该光投射镜头被配置为调节从各个所述激光二极管发出的光的展开；
光偏转器，该光偏转器被配置为使通过所述光投射镜头后的光偏转，并把偏转后的光照射至对象物；以及
光接收元件，该光接收元件被配置为接收从所述光偏转器投射且被所述对象物反射的光，所述物体检测装置基于从所述光接收元件输出的光接收信号来检测是否存在所述对象物，
其中，所述激光二极管发光，使得所述光在第一方向上以第一角度展开，并且在第二方向上以第二角度展开，所述第二角度比所述第一角度宽，并且所述第二方向与所述第一方向垂直，
其中，多个所述激光二极管模块被布置为使得所述激光二极管的排列方向与所述第一方向一致，并且所述激光二极管模块在所述第二方向上并排，且在所述第一方向上彼此错开，并且
其中，多个所述光投射镜头被布置为使得所述光投射镜头与所述激光二极管模块分别对应。
5.根据权利要求4所述的物体检测装置，所述物体检测装置还包括基板，该基板具有前表面和后表面，所述激光二极管模块中的一个激光二极管模块安装在所述前表面上，并且所述激光二极管模块中的另一个激光二极管模块安装在所述后表面上。
6.根据权利要求4或5所述的物体检测装置，其中，所述光投射镜头被布置为在所述第一方向上并排，且在所述第二方向上彼此错开。
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