專利名稱：激光雷達裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光雷達裝置，該激光雷達裝置針對目標發(fā)送接收激光來測量到目標上的多點為止的距離，并根據(jù)與該多點有關(guān)的距離信息來測量目標的三維形狀。
背景技術(shù)：
作為以往的這種激光雷達裝置，例如已知非專利文獻I所述的裝置。在該以往的激光雷達裝置中，通過在接收系統(tǒng)中使用縱橫比大的長條型受光元件來保持用于加大受光量的大的接收孔徑，且對于受光元件的長度方向無掃描(scanless)地確保寬的線狀的接收視野，進而通過在線狀的視野內(nèi)使用MEMS掃描器只對發(fā)送光束進行高速一維掃描來高速地測量目標的剖面形狀。
非專利文獻I :今城等，“受信型CW変調(diào)方式3D ImagingLADAR ^開発(無接收掃描型CW調(diào)制方式3D成像LADAR的開發(fā))”，第27次激光傳感座談會預(yù)稿集，pp.18-19，2009非專利文獻2 :平井等，“ 7方式3 D ImagingLADAR O開発(脈沖方式3D成像LADAR的開發(fā))”，第27次激光傳感座談會預(yù)稿集，pp. 90-91，2009

發(fā)明內(nèi)容
然而，在以往技術(shù)中存在如下的課題。能夠?qū)崿F(xiàn)寬的視野的只是受光元件的長度方向，因此能夠進行高速攝像的只是目標的剖面形狀。因而，為了測量三維形狀而采用了如下結(jié)構(gòu)關(guān)于與受光兀件的長度方向正交的方向，對發(fā)送光束和接收視野這雙方進行掃描。如果在為了加大受光量而設(shè)為大的接收孔徑的狀態(tài)下掃描接收視野，則將會掃描具有大的接收孔徑的大的接收透鏡。但是，在對大的接收透鏡進行高速掃描時，存在如下問題點作為結(jié)果，針對掃描器的負荷變高，由于掃描器驅(qū)動部的磨耗等而掃描器的壽命變短，進而作為其結(jié)果，作為裝置整體的壽命變短。此時，如果能夠?qū)o掃描狀態(tài)下的接收視野還擴展到與受光元件的長度方向正交的方向，則不需要在該正交的方向上掃描接收視野，只對直徑小的發(fā)送光束進行二維掃描即可，能夠避免上述問題點。但是，在這種情況下，存在下面所示的問題點。為了在與受光元件的長度方向正交的方向上也實現(xiàn)寬的視野，需要關(guān)于長條型受光元件的尺寸以加長短邊側(cè)的形式接近于正方形。在這種情況下，伴隨著受光元件的尺寸變大而受光元件的電容量增大，作為其結(jié)果，產(chǎn)生受光元件的響應(yīng)頻率帶寬下降這樣的問題點。當產(chǎn)生這種帶寬下降時，特別是在使用發(fā)送接收光脈沖的類型的測距的情況下，存在如下問題點針對短脈沖的響應(yīng)性下降，測距精度下降。本發(fā)明是為了解決如前所述的課題而作出的，目的在于得到一種能夠新實現(xiàn)兼具無接收掃描下的寬的二維視野、大的接收孔徑、以及針對短脈沖光的響應(yīng)性的激光雷達裝置。與本發(fā)明有關(guān)的激光雷達裝置具備激光光源，根據(jù)觸發(fā)信號產(chǎn)生脈沖激光，并作為發(fā)送脈沖而輸出；掃描器，一邊對所述發(fā)送脈沖的鉛筆狀的發(fā)送光束進行受光元件的長度方向以及與該受光兀件的長度方向正交的方向的二維掃描，一邊將發(fā)送脈沖朝向目標發(fā)送，并且輸出掃描角度信息；接收透鏡，接收所述發(fā)送脈沖被所述目標散射之后到來的接收光；長條受光元件陣列，將所述接收光變換為由電信號區(qū)域構(gòu)成的接收信號而輸出，將長條受光兀件在與受光兀件的長度方向正交的方向上排列為陣列狀；互阻放大器陣列，放大所述接收信號；加法電路，對來自所述互阻陣列的各元件的接收信號進行相加；距離檢測電路，測量來自所述加法電路的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間；以及信號處理部，通過一邊與所述掃描角度信息相對應(yīng)一邊使所述掃描器進行二維掃描動作，從而根據(jù)所述光往復(fù)時間以及光速來求出到所述目標上的多點為止的距離，并測量所述目標的三維形狀。根據(jù)與本發(fā)明有關(guān)的激光雷達裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)以往困難的、兼具無掃描下的寬的二維的接收視野和針對短脈沖的響應(yīng)性。由此，在測量三維形狀的情況下，也只對光束徑小的發(fā)送光束進行掃描即可，在掃描器中能夠使用尺寸小的掃描器、例如MEMS掃描器,作為結(jié)果，即使高速掃描時針對掃描器的負荷也少，能夠?qū)崿F(xiàn)長壽命的掃描器動作。


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圖I是表示與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置的長條受光元件陣列的結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示與本發(fā)明的實施例2有關(guān)的激光雷達裝置的結(jié)構(gòu)的圖。附圖標記說明I :激光光源；2 :掃描器；3 :接收透鏡；4 :長條受光元件陣列；5 :互阻放大器陣列；6 :加法電路；7 :距離檢測電路；8 :信號處理部；9 :光束成形透鏡；10 :距離檢測電路陣列；11 :多路轉(zhuǎn)接器。
具體實施例方式下面使用

本發(fā)明的激光雷達裝置的優(yōu)選實施例。實施例I參照圖I以及圖2來說明與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置。圖I是表示與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置的結(jié)構(gòu)的圖。另外，圖2是表示與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置的長條受光元件陣列的結(jié)構(gòu)的圖。此外，以后在各圖中相同標記表示相同或者相當部分。在圖I中，與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置設(shè)置有激光光源I、掃描器2、接收透鏡3、長條受光元件陣列4、互阻放大器陣列5、加法電路6、距離檢測電路7、以及信號處理部8。在圖I中，激光光源I與掃描器2之間、接收透鏡3與長條受光元件陣列4之間是由空間構(gòu)成的光回路。另外，信號處理部8與激光光源I之間、信號處理部8與掃描器2之間、長條受光元件陣列4與互阻放大器陣列5之間、互阻放大器陣列5與加法電路6之間、加法電路6與距離檢測電路之間、距離檢測電路7與信號處理部8之間是通過電線電纜來連接。
在圖I中，激光光源I具有如下功能根據(jù)來自信號處理部8的觸發(fā)信號產(chǎn)生脈沖激光，并將其作為發(fā)送脈沖而發(fā)送。另外，掃描器2通過信號處理部8來驅(qū)動，該掃描器2具有如下功能一邊對于發(fā)送脈沖的發(fā)送光束在作為發(fā)送脈沖的照射方向的受光兀件的長度方向以及與該受光兀件的長度方向正交的方向這二維上進行掃描，一邊將發(fā)送脈沖朝向目標發(fā)送，并且將掃描角度信息發(fā)送給信號處理部8。另外，接收透鏡3具有如下功能接收在發(fā)送脈沖被目標散射之后到來的接收光，并送到長條受光元件陣列4上。長條受光元件陣列4具有如下功能通過構(gòu)成陣列的多個元件，將接收光變換為由電信號區(qū)域構(gòu)成的接收信號，并將該接收信號發(fā)送給互阻放大器陣列5?；プ璺糯笃麝嚵?的各元件具有如下功能對來自長條受光元件陣列4的各元件的接收信號分別進行放大之后發(fā)送給加法電路6。加法電路6具有如下功能對來自互阻放大器陣列5的各元件的輸出信號進行相加并發(fā)送給距離檢測電路7。距離檢測電路7具有如下功能測量來自加法電路6的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間，并發(fā)送給信號處理部8。信號處理部8具有如下功能管理激光光源I、掃描器 2以及距離檢測電路7的動作定時，一邊使到目標為止的光往復(fù)時間與掃描器2的角度信息對應(yīng)，一邊使掃描器2進行受光兀件的長度方向以及與該受光兀件的長度方向正交的方向的二維掃描動作，得到目標上的多點為止的距離信息，從而測量目標的三維形狀。在圖I中，長條受光元件陣列4的一個元件(長條受光元件)是小到能夠?qū)Χ痰拿}沖進行響應(yīng)的程度的元件尺寸，但是縱橫比大。由此，關(guān)于長度方向，即使只通過該一個元件也能夠?qū)崿F(xiàn)寬的線狀的視野。進而，如圖I所示，通過將該一個元件在與受光元件的長度方向正交的方向上排列為陣列狀，從而關(guān)于與受光元件的長度方向正交的方向也實現(xiàn)寬的視野。此外，長條受光元件陣列4既可以如圖2(a)所示地由單一的元件構(gòu)成，也可以如圖2(b)所示地由二維陣列構(gòu)成。接著，參照

與該實施例I有關(guān)的激光雷達裝置的動作。首先，從激光光源I根據(jù)來自信號處理部8的觸發(fā)信號來產(chǎn)生脈沖激光，并將其作為發(fā)送脈沖而發(fā)送。另外，通過信號處理部8來驅(qū)動掃描器2，一邊對于發(fā)送脈沖的發(fā)送光束進行作為發(fā)送脈沖的照射方向的受光元件的長度方向以及與該受光元件的長度方向正交的方向的二維掃描，一邊將發(fā)送脈沖朝向目標發(fā)送，并且將掃描角度信息發(fā)送給信號處理部8。此時，將發(fā)送光束設(shè)為鉛筆狀的光束以使得在目標上的照射光點尺寸成為所期望的像素分辨率以下。發(fā)送脈沖在目標上散射，發(fā)送脈沖被目標散射之后到來的接收光經(jīng)由接收透鏡3送到長條受光元件陣列4上。接著，長條受光元件陣列4通過構(gòu)成陣列的多個元件將接收光變換為由電信號區(qū)域構(gòu)成的接收信號，并將該接收信號發(fā)送給互阻放大器陣列5。接著，互阻放大器陣列5將來自長條受光元件陣列4的多個元件的接收信號通過相對應(yīng)的各元件進行放大之后，發(fā)送給加法電路6。接著，加法電路6對來自互阻放大器陣列5的各元件的信號進行相加而設(shè)為一個信號，并發(fā)送給距離檢測電路7。接著，距離檢測電路7測量來自加法電路6的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間，并發(fā)送給信號處理部8。測量該往復(fù)時間的距離檢測電路7的具體的電路結(jié)構(gòu)在非專利文獻2中所示出。該距離檢測電路7當從信號處理部8輸入了與用于驅(qū)動激光光源I的觸發(fā)信號同步的選通信號時，輸出與往復(fù)時間成比例的模擬電壓。然后，信號處理部8是通過對從距離檢測電路7輸出的模擬電壓值進行AD變換來求出到目標為止的光往復(fù)時間。進而，根據(jù)該光往復(fù)時間和光速來測量到目標為止的距離。此時，由于將發(fā)送光束設(shè)為細的鉛筆狀，因此測量的目標上的區(qū)域只是I點，測量的是到該點為止的距離。另外,信號處理部8是一邊與掃描器2的角度信息、即發(fā)送光束的發(fā)送方向相對應(yīng)一邊使掃描器2進行受光兀件的長度方向以及與該受光兀件的長度方向正交的方向的二維掃描動作來進行該距離測量。由此，能夠得到目標上的多點為止的距離信息，作為結(jié)果能夠測量目標的三維形狀。在與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置中，為了保持針對短脈沖的響應(yīng)性而將受光元件的一個元件設(shè)為長條型來限制一個元件的尺寸，并且實現(xiàn)了作為長條型的優(yōu)點的受光元件的長度方向的寬的接收視野。進而，通過將該長條受光元件在與受光元件的長 度方向正交的方向上排列為陣列狀，從而對于與受光元件的長度方向正交的方向也實現(xiàn)了寬的視野。由此，實現(xiàn)了以往困難的、兼具無掃描下的寬的二維的接收視野和針對短脈沖的響應(yīng)性。另外，在測量三維形狀的情況下，也只對光束徑小的發(fā)送光束進行掃描即可，在掃描器2中能夠使用尺寸小的掃描器、例如MEMS掃描器,作為結(jié)果，即使高速掃描時針對掃描器2的負荷也少,能夠?qū)崿F(xiàn)長壽命的掃描器動作。另外，在與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置中，受光元件以及互阻是陣列，由多個元件構(gòu)成，但是對其輸出通過加法電路6進行相加而設(shè)為一個。即，通過受光元件陣列4、互阻放大器陣列5、以及加法電路6來等效地構(gòu)筑了單元件的接收系統(tǒng)，作為其結(jié)果，不需要對連接在其后級的距離檢測電路7進行陣列化。由此，電路結(jié)構(gòu)變得簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的低成本化、高可靠化。進而，在與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置中，存在下面所示的優(yōu)點。通常在受光元件為陣列的情況下，由陣列的元件數(shù)來決定三維形狀圖像的像素數(shù)。但是，在本裝置中，一邊改變發(fā)送光束的照射點一邊對每一個發(fā)送脈沖按每I像素每I像素地進行測量，決定像素數(shù)是由在測量一幀的時間內(nèi)所發(fā)送的發(fā)送脈沖的數(shù)量來決定。因而，越是加大發(fā)送脈沖的重復(fù)頻率來在幀測量時間內(nèi)發(fā)送很多脈沖，在幀內(nèi)測量的像素會越增加。因而，能夠以陣列的元件數(shù)以上的像素數(shù)來進行測量。換句話說，與通常的陣列接收的情況相比，產(chǎn)生如下效果能夠以少的陣列元件數(shù)來實現(xiàn)相同像素數(shù)的測量結(jié)果，能夠簡化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)裝置的低成本化、高可靠化。能得到該效果是因為本裝置能夠在裝置側(cè)掌握發(fā)送光束照射了哪個位置，因此不需要將測量位置與受光元件陣列的元件對應(yīng)起來。此外，在與本發(fā)明的實施例I有關(guān)的激光雷達裝置中，在排列長條受光元件陣列4時，在陣列元件之間形成間隙。在通過接收透鏡3對接收光進行聚光而入射到長條受光元件陣列4時，如果聚光到間隙，則不能變換為電信號，作為結(jié)果，此時的發(fā)送光束的照射位置有可能成為死區(qū)。在這種情況下，能夠通過進一步實施下面的辦法來避免該問題。在從接收透鏡3的焦點距離偏離的位置處配置長條受光元件陣列4。由此，來自接收透鏡3的接收光的光點以相對于聚光為點狀的狀態(tài)而擴大的狀態(tài)照射在長條受光元件陣列4上。此時，通過將接收光的光點設(shè)定為比間隙的尺寸大，從而成為至少一個以上的長條受光元件的接收光入射的形式，能夠避免產(chǎn)生上述的死區(qū)。此時，會從兩個以上的長條受光元件輸出接收信號，但是在后級中通過加法電路6來相加，因此還能夠避免大幅地損失信號能量。實施例2參照圖3說明與本發(fā)明的實施例2有關(guān)的激光雷達裝置。圖3表示與本發(fā)明的實施例2有關(guān)的激光雷達裝置的結(jié)構(gòu)的圖。在圖3中，設(shè)置有激光光源I、光束成形透鏡9、掃描器2、接收透鏡3、長條受光兀件陣列4、互阻放大器陣列5、距離檢測電路陣列10、多路轉(zhuǎn)接器11、以及信號處理部8。接著，參照

與該實施例2有關(guān)的激光雷達裝置的動作。該實施例2的基本結(jié)構(gòu)以及動作與上述的實施例I相同，但是下面說明不同點。 在圖3中，光束成形透鏡9將來自激光光源I的發(fā)送脈沖的發(fā)送光束成形為線狀光束，向目標上的某個線照射一次。此時的線狀的光束是與長條受光元件陣列4的一個元件所生成的線狀的接收視野正交的方向。掃描器2不是二維掃描器，而是一維的線掃描類型，在該受光元件的長度方向上對照射光束進行掃描。距離檢測電路陣列10的各元件分別連接在長條受光元件陣列4的各元件，通過多路轉(zhuǎn)接器11來選擇了長條受光元件陣列4的各元件的輸出中的一個之后，發(fā)送給信號處理部8。信號處理部8新具有切換功能，該切換功能用于切換通過多路轉(zhuǎn)接器11選擇的來自距離檢測電路陣列10的各元件的輸出。在圖3的激光雷達裝置中，與圖I的激光雷達裝置不同，以線狀光束照射一次目標上的某個線。另外，將來自各點的散射光使用接收透鏡3聚光到與各點相對應(yīng)的長條受光元件陣列4的各元件上。長條受光元件陣列4的各元件將接收光變換為由電信號構(gòu)成的接收信號，將各接收信號通過互阻放大器陣列5的各元件、距離檢測電路陣列10的各元件進行并行處理，從而同時檢測出到所照射的目標上的各點為止的距離。接著，通過由多路轉(zhuǎn)接器11進行切換來讀出來自距離檢測電路陣列10的各元件的距離信息、具體地是與光往復(fù)時間成比例的模擬電壓，并在信號處理部8中進行AD變換之后，根據(jù)模擬電壓求出到與各元件有關(guān)的目標為止的距離。在這時候，測量目標上的發(fā)送光束照射方向的剖面形狀。通過在受光元件的長度方向上進行一維掃描的同時進行該剖面形狀的測量，其結(jié)果能夠測量三維圖像。此外，在與本發(fā)明的實施例2有關(guān)的激光雷達裝置中，具有在上述的實施例I中敘述的如下效果為了保持針對短脈沖的響應(yīng)性而將受光元件的一個元件設(shè)為長條型來限制一個元件的尺寸，且能夠?qū)崿F(xiàn)受光元件的長度方向的寬的接收視野，進而即使使掃描高速化也能夠保持長壽命性。另外，使用使距離檢測電路7陣列化的距離檢測電路陣列10，存在裝置復(fù)雜化的課題，但是能夠通過一個發(fā)送脈沖一次就獲取與目標上的某一線有關(guān)的剖面形狀，因此能夠減少用于得到一個三維形狀所需的發(fā)送脈沖的數(shù)量。因而，如果是相同的測量速率的情況則能夠降低發(fā)送脈沖的重復(fù)頻率，如果改變看法，則能夠在相同的發(fā)送脈沖的重復(fù)頻率下提聞攝像速率。
權(quán)利要求
1.一種激光雷達裝置，具備 激光光源，根據(jù)觸發(fā)信號產(chǎn)生脈沖激光，并作為發(fā)送脈沖而輸出； 掃描器，一邊對所述發(fā)送脈沖的鉛筆狀的發(fā)送光束進行受光元件的長度方向以及與該受光兀件的長度方向正交的方向的二維掃描，一邊將發(fā)送脈沖朝向目標發(fā)送，并且輸出掃描角度信息； 接收透鏡，接收所述發(fā)送脈沖被所述目標散射之后到來的接收光； 長條受光元件陣列，將所述接收光變換為由電信號區(qū)域構(gòu)成的接收信號而輸出，將長條受光元件在與受光元件的長度方向正交的方向上排列為陣列狀； 互阻放大器陣列，放大所述接收信號； 加法電路，對來自所述互阻陣列的各元件的接收信號進行相加； 距離檢測電路，測量來自所述加法電路的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間；以及信號處理部，通過一邊與所述掃描角度信息相對應(yīng)一邊使所述掃描器進行二維掃描動作，從而根據(jù)所述光往復(fù)時間以及光速來求出到所述目標上的多點為止的距離，并測量所述目標的三維形狀。
2.一種激光雷達裝置，具備 激光光源，根據(jù)觸發(fā)信號產(chǎn)生脈沖激光，并作為發(fā)送脈沖而輸出； 光束成形透鏡，將所述發(fā)送脈沖成形為線狀光束而輸出； 掃描器，一邊對所述發(fā)送脈沖的線狀的發(fā)送光束進行與受光兀件的長度方向正交的方向的一維掃描,一邊將發(fā)送脈沖朝向目標發(fā)送，并且輸出掃描角度信息； 接收透鏡，接收所述發(fā)送脈沖被所述目標散射之后到來的接收光； 長條受光元件陣列，將所述接收光變換為由電信號區(qū)域構(gòu)成的接收信號而輸出，將長條受光元件在與受光元件的長度方向正交的方向上排列為陣列狀； 互阻放大器陣列，放大所述接收信號； 距離檢測電路陣列，測量來自所述互阻陣列的各元件的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間； 信號處理部，通過一邊與所述掃描角度信息相對應(yīng)一邊使所述掃描器進行一維掃描動作，從而根據(jù)所述光往復(fù)時間以及光速來求出到所述目標上的多點為止的距離，并測量所述目標的三維形狀；以及 多路轉(zhuǎn)接器，切換連接所述距離檢測電路陣列的各元件和所述信號處理部。
全文摘要
本發(fā)明得到一種兼具寬的二維視野、大的接收孔徑、針對短脈沖光的響應(yīng)性的激光雷達裝置。該激光雷達裝置設(shè)置了激光光源，產(chǎn)生脈沖激光；掃描器，一邊對鉛筆狀的發(fā)送光束進行二維掃描一邊向目標發(fā)送發(fā)送脈沖并輸出掃描角度信息；接收透鏡，接收所到來的接收光；長條受光元件陣列，將接收光變換為接收信號而輸出；互阻放大器陣列，放大接收信號；加法電路，對來自互阻放大器陣列的各元件的接收信號進行相加；距離檢測電路，測量來自加法電路的輸出信號的到目標為止的光往復(fù)時間；以及信號處理部，通過一邊與掃描角度信息相對應(yīng)一邊使掃描器進行二維掃描動作，從而根據(jù)光往復(fù)時間以及光速來求出到目標上的多點為止的距離，并測量目標的三維形狀。
文檔編號G01S17/89GK102884444SQ20118002286
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者今城勝治, 龜山俊平, 平井曉人, 淺香公雄, 平野嘉仁 申請人:三菱電機株式會社