检测装置和包括检测装置的车载系统
阅读说明：本技术 检测装置和包括检测装置的车载系统 (Detection device and on-vehicle system including detection device ) 是由 川上智朗 于 2019-01-07 设计创作，主要内容包括：提供了一种检测装置,该检测装置包括：光源,该光源发射照明光束；光接收元件,该光接收元件接收来自物体的反射光束；偏振单元,该偏转单元使照明光束朝着物体偏转以扫描物体并且使反射光束朝着光接收元件偏转；分离单元,该分离单元允许来自光源的照明光束朝着偏转单元前进并且允许来自偏转单元的反射光束朝着光接收元件前进；以及第一望远镜,该第一望远镜增加被偏转单元偏转的照明光束的直径并且减小来自物体的反射光束的直径,其中偏转单元被布置为使得防止在偏转单元的扫描范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与第一望远镜的光轴重合。(There is provided a detection apparatus comprising: a light source emitting an illumination beam; a light receiving element that receives a reflected light beam from the object; a polarizing unit that deflects the illumination light beam toward the object to scan the object and deflects the reflected light beam toward the light receiving element; a separation unit that allows the illumination light beam from the light source to proceed toward the deflection unit and allows the reflected light beam from the deflection unit to proceed toward the light receiving element; and a first telescope that increases a diameter of the illumination beam deflected by the deflection unit and decreases a diameter of a reflected beam from the object, wherein the deflection unit is arranged such that an optical path of a principal ray of the illumination beam at a central view angle within a scanning range of the deflection unit is prevented from coinciding with an optical axis of the first telescope.)
技术领域
本发明涉及一种被配置为通过照明物体并接收被物体反射的反射光来检测物体的检测装置。
背景技术
已知光检测和测距(LiDAR)作为检测物体并测量到物体的距离的方法，在光检测和测距(LiDAR)中，从物体被照明之后接收到来自物体的反射光需要多久或者从检测到的反射光的相位来计算到物体的距离。
近年来，LiDAR作为例如用于汽车的自动驾驶的测量到物体的距离的方法而受到关注。
在汽车的自动驾驶中，要求汽车将车辆、人、危险物体等识别为物体，并采取适合于到识别出的物体的距离的动作，例如跟随或避开物体。
在专利文献1中，公开了一种检测装置，其中用已从激光器发射、通过分离单元并被扫描镜偏转的照明光扫描物体，并且经由扫描镜和分离单元朝着光接收单元偏转被物体反射的反射光，以从在光接收单元处接收到的反射光测量物体的位置和到物体的距离。
引文列表
专利文献
PTL 1：美国专利申请公开No.2009/0201486
发明内容
技术问题
随着物体离得越远，来自物体的进入检测装置的反射光的强度越低，因此要求检测装置接收尽可能多的反射光。
为此，有效的是通过在检测装置的发射侧附近布置望远镜并改变照明光和反射光的光束的直径来增加光量。遗憾的是，这也增加了由检测装置内部的反射和散射生成的不必要的光的量。
因此，本发明的目的是提供一种检测装置，该检测装置能够抑制由望远镜增加的不必要的光的接收。
问题的解决方案
根据本发明的检测装置包括：光源，被配置为发射照明光束；光接收元件，被配置为接收来自物体的反射光束；偏转单元，被配置为使照明光束朝着物体偏转以便扫描物体并且被配置为使反射光束朝着光接收元件偏转；分离单元，被配置为允许来自光源的照明光束朝着偏转单元前进并且被配置为允许来自偏转单元的反射光束朝着光接收元件前进；以及第一望远镜，被配置为增加被偏转单元偏转的照明光束的直径并且被配置为减小来自物体的反射光束的直径，其中偏转单元被布置为使得防止在偏转单元的扫描范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与第一望远镜的光轴重合。
发明的有益效果
根据本发明，可以提供能够抑制由望远镜增加的不必要的光的接收的检测装置。
本发明的其它特征将从以下参考附图对示例性实施例的描述变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的检测装置的示意性截面图。
图2A是根据第一实施例的检测装置的局部放大图。
图2B是比较示例的检测装置的局部放大图。
图3A是用于图示在比较示例的检测装置中接收到的不必要的光的样子的图。
图3B是用于图示在根据第一实施例的检测装置中接收到的不必要的光的样子的图。
图3C是用于图示在根据本发明的第二实施例的检测装置中接收到的不必要的光的样子的图。
图3D是用于图示在根据第二实施例的修改示例的检测装置中接收到的不必要的光的样子的图。
图4是根据第二实施例的检测装置的局部放大图。
图5A是比较示例的检测装置的局部放大图。
图5B是根据第二实施例的检测装置的局部放大图。
图6A是用于图示在比较示例的检测装置中的光接收元件的光接收表面上形成的反射光区域的图。
图6B是用于图示在根据第二实施例的检测装置中的光接收元件的光接收表面上形成的反射光区域的图。
图7是根据本发明的第三实施例的检测装置的示意性截面图。
图8是根据本发明的第四实施例的检测装置的示意性截面图。
图9是用于图示来自物体的反射光如何重新进入根据第四实施例的检测装置的图。
图10是根据第四实施例的检测装置的示意性截面图。
图11是根据本发明的第五实施例的检测装置的示意性截面图。
图12A是比较示例的检测装置的局部放大图。
图12B是另一个比较示例的检测装置的局部放大图。
图12C是根据第五实施例的检测装置的局部放大图。
图13是根据本发明的第六实施例的检测装置的示意性截面图。
图14是根据本发明的第七实施例的检测装置的示意性截面图。
图15A是比较示例的检测装置的局部放大图。
图15B是根据第七实施例的检测装置的局部放大图。
图15C是根据第七实施例的检测装置的局部放大图。
图15D是根据第七实施例的检测装置的局部放大图。
图16是用于图示在比较示例的检测装置中的光接收元件的光接收表面上形成的反射光区域的图。
图17是根据本发明的第八实施例的检测装置的示意性截面图。
图18是根据实施例的车载系统的功能框图。
图19是实施例的车辆中的主要部分的示意图。
图20是用于图示根据实施例的车载系统的操作的示例的流程图。
具体实施方式
第一实施例
下面参考附图详细描述根据本发明的第一实施例的检测装置。为了更易于理解第一实施例，以下参考的一些附图可以以与实际比例不同的比例绘制。
LiDAR系统的配置包括照明物体的照明系统和接收来自物体的反射光和散射光的接收系统。具有这种配置的LiDAR系统被分类为其中照明系统和接收系统以完全相同的方向取向的同轴型以及其中照明系统和接收系统被彼此分开地配置的非同轴型。
根据第一实施例的检测装置适合于同轴型的LiDAR系统，并且照明系统的光轴和接收系统的光轴在穿孔镜中重合。
在其中假设以高速驾驶汽车的自动驾驶中，要求检测更远的物体并且测量到物体的距离(即，测距)。
随着物体离得越远，从物体返回到检测装置的反射光或散射光越弱。例如，来自50m远的物体的进入检测装置的反射光的量比来自5m远的物体的进入检测装置的反射光的量小约两位数。
因而，从远处的物体接收尽可能多的反射光的一种方式是通过例如增加照明光源的功率来增加从检测装置出射的照明光的量。但是，因为要求考虑对人眼的安全性，所以当物体为人时，照明光源的功率只能被增加到有限的水平。因此，要求设计一种在不增加照明光的量的情况下从远处的物体接收尽可能多的反射光的方式。
随着到物体的距离增加，测量物体的尺寸的难度也增加。
特别地，在高速驾驶中，要求在早的时刻检测远处物体的尺寸，并且将检测到的尺寸用作确定下一动作进程的基础，并且远处物体的尺寸的检测精度也相应地是重要的。
在检测装置内部生成的反射光和散射光是不必要的光，其降低了测量的精度，并且优选的是光接收单元接收尽可能少的不必要的光。
当不必要的光被大量生成并且与从物体接收的反射光一起被接收时，检测装置的检测性能降低，并且计算出的测得的量的误差增加。此外，当光接收单元接收到在从检测装置发射照明光时生成的大量不必要的光时，光接收元件中的电荷的复位不能在来自物体的反射光被接收之前完成，其结果是不能将来自物体的反射光与不必要的光区分开。因此，不能进行物体的检测和测距。
专利文献1没有研究用于抑制在检测装置内部生成的不必要的光的接收的配置。
图1是根据第一实施例的检测装置1的示意性截面图。在图1中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
根据第一实施例的检测装置1包括光源形成单元(光源单元)10、接收照明光光分离单元(分离单元)20、从动镜(driven mirror)(偏转单元)30、望远镜(第一望远镜)40、光接收单元50和控制单元100。
光源形成单元10包括光源11和准直器12。从光源11发射的发散光束(照明光束)被准直器12转换成光束直径为r1a的平行光束。在此，平行光束的定义不仅包括严格意义上的平行光束，而且还包括基本上平行的光束，例如弱发散光束和弱会聚光束。
接收照明光光分离单元20由例如穿孔镜或分束器构成，并且具有将照明光路与接收光路分开的功能。具体地，接收照明光光分离单元20允许来自光源形成单元10的照明光束前进至从动镜30，同时允许来自从动镜30的光束前进至光接收单元50。在此，穿孔镜是具有开口部分的镜(反射构件)。入射在穿孔镜上的光束被分离成通过开口部分(空气)的光束和被镜表面(反射表面)反射的光束。穿孔镜的开口部分可以不是空心洞，并且可以在开口部分中提供透射构件。
从动镜30具有有效直径r1a’，并且是将绕图1中的Y轴或垂直于Y轴的轴旋转的双轴从动镜。照明光束的光束直径r1a小于从动镜30的有效直径r1a’。
望远镜40是包括具有折光力(屈光力)的多个光学元件(透镜)并且作为整个系统不具有折光力的光学系统。望远镜40被放在从动镜30的照明侧上，并且从动镜30定位在望远镜40的光学入射光瞳位置处。从从动镜30侧到出射光瞳，望远镜40的光学倍率β大于1(|β|>1)，并且从动镜30所在的入射光瞳的直径大于从动镜30的有效直径r1a’。
光接收单元50包括光收集光学系统(第一成像光学系统)51和光接收元件52。来自被照明的物体的反射光束被光收集光学系统51收集并被光接收元件52接收。
控制单元100控制被提供在光源形成单元10中的光源11、从动镜30和被提供在光接收单元50中的光接收元件52。控制单元100以光源11和从动镜30的相应的预定驱动电压和驱动频率来驱动光源11和从动镜30，并且使用特定频率来测量在光接收元件52处接收到的接收光的波形。
已从光源形成单元10发射并且光束直径为r1a的平行光束通过接收照明光光分离单元20，被从动镜30偏转，并经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r1b的照明光束，以照明在检测装置1外部的物体。
然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r1b’。已重新进入的光束行进通过望远镜40，并被从动镜30偏转，以变成具有光束直径r1a’的光束。被偏转的光束在接收照明光光分离单元20中在与照明光束的方向不同的方向上被偏转以被光接收单元50接收。
控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
虽然在根据第一实施例的检测装置1中的接收照明光光分离单元20允许来自光源形成单元10的光束朝着从动镜30行进并且使来自从动镜30的光束朝着光接收单元50偏转，但是接收照明光光分离单元20不限于此。接收照明光光分离单元20可以允许来自从动镜30的光束朝着光接收单元50行进，同时将来自光源形成单元10的光束朝着从动镜30偏转。
如图1中所示，在根据第一实施例的检测装置1中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
通过使用从动镜30的有效直径r1a’和望远镜40的光学倍率β，从望远镜40的发射表面重新进入的光束的有效直径r1b’由下面的表达式(1)表达。
[数学表达式1]
r1b′＝r1a′×|β|···(1)
如图1中所示，光束的有效直径r1b’是从动镜30的有效直径r1a’的|β|(>1)倍。因而，与未提供望远镜40时相比，根据第一实施例的检测装置1能够接收更多的来自物体的反射和散射光束。
通过使用被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1和望远镜40的光学倍率β，从望远镜40出射的照明光束的主光线的偏转角θ2由下面的表达式(2)表达。
[数学表达式2]
如图1中所示，因为望远镜40的光学倍率β大于1，所以照明光束的主光线的偏转角θ2小于被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1。
因此，在根据第一实施例的检测装置1中视角窄，但是检测间隔也窄，其结果是可以提高检测分辨率。
在根据第一实施例的检测装置1中，在图2A中在Y-Z截面中图示了被从动镜30偏转的照明光束中的主光线的光路，即，当从动镜30被驱动时观察到的光路。
图2A是根据第一实施例的检测装置1的局部放大图。在图2A中，还图示了被包括在照明光束中并且在望远镜40的光轴外部的最外侧光路中(在扫描视角的范围内的最大视角)行进的主光线Sa、被包括在照明光束中并且在其中从动镜30可以被驱动的范围(扫描视场角的范围)内的中心视角的光路中行进的主光线Sb、以及被包括在照明光束中并且在最接近望远镜40的光轴的光路中行进的主光线Sc。
图2B是检测装置1的局部放大图，其中从动镜30被布置为使得中心视角的光路(照明光路)与望远镜40的光轴Ax重合。
如图2B中所示，当检测装置1中的从动镜30被布置为使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路与望远镜40的光轴Ax重合时，作为从被提供在望远镜40中的光学元件返回的光束的反射光束RF1和RF2行进，以便与照明光束沿着光轴Ax重叠，并且进入光接收单元50。另外，还是在图2B中所示的照明光束的光路附近，来自被提供在望远镜40中的光学元件的反射和散射光束或多或少地返回并进入光接收单元50。因此，当望远镜40的光轴Ax与从动镜30的中心视角的光路如图2B中所示的那样重合时，如图3A中所示在给定的视角范围内由此生成上述不必要的光，诸如反射光束RF1和RF2。
图3A和图3B是用于图示当在检测装置1中二维地驱动从动镜30时在光接收元件52的光接收表面52D上接收到的不必要的光的样子的图。图中的两个点线轴彼此正交的交点表示从动镜30的驱动中心视角，水平轴表示当在方向X上驱动从动镜30时观察到的视角，以及垂直轴表示当在方向Y上驱动从动镜30时观察到的视角。
在图3A和图3B中，白色部分指示生成不必要的光的视角，以及黑色部分指示没有生成不必要的光的视角。
另一方面，如图2A中所示，当根据第一实施例的检测装置1中的从动镜30被布置为使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路(照明光路)与望远镜40的光轴Ax不重合时，照明光束不沿着望远镜40的光轴Ax行进。
因此，被提供在根据第一实施例的检测装置1中的望远镜40中的光学元件生成不必要的光，该不必要的光仅在远离光接收元件52的光接收表面52D的中心的视角范围内可识别，如图3B中所示。
如上所述，根据第一实施例的检测装置1，通过将从动镜30放在具有大于1的光学倍率β的望远镜40的入射光瞳的位置处，可以取得来自被照明的物体的反射和散射光束中的大部分，并且可以使检测间隔近。因此，提高了检测分辨率。
在检测装置1中，从动镜30的扫描角被设置为使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与望远镜40的光轴Ax不重合(以防止在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处从动镜30使照明光束在沿着望远镜40的光轴延伸的方向上偏转)。具体地，从动镜30的扫描角被设置为使得照明光束的主光线在包含光轴的一个截面中倾斜地进入物体(被照明的表面)。通过这种配置，可以抑制在中心视角处及其周围的不必要的光的接收。
换句话说，通过将从动镜30布置为使得从动镜30的中心视角是望远镜40的光轴外部的视角，可以抑制不必要的光的接收。
这给予了检测装置1关于远处物体的提高的测距性能以及关于远处物体的尺寸的提高的检测分辨率。
第二实施例
图4是根据本发明第二实施例的检测装置2的局部放大图。在图4中，还图示了被包括在照明光束中并且在望远镜40的光轴外部的最外侧光路中(在扫描视角的范围内的最大视角)行进的主光线Sa、被包括在照明光束中并且在其中从动镜30可以被驱动的范围(扫描视角的范围)内的中心视角的光路中行进的主光线Sb、以及被包括在照明光束中并且在最接近望远镜40的光轴的光路中行进的主光线Sc。
根据第二实施例的检测装置2具有与根据第一实施例的检测装置1的配置相似的配置，并且检测装置2中的与检测装置1中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
在根据第二实施例的检测装置2中，望远镜40被布置为偏心的。具体地，如图4中所示，当将望远镜40的光轴Ax与从动镜30之间的交点设为AXP并且将从动镜30的镜表面(偏转表面，扫描表面)上的照明光束进入的入射点设为ILP时，望远镜40是偏心的以使得AXP与ILP不重合。
换句话说，望远镜40被布置为使得望远镜40的光轴Ax与从动镜30的镜表面上的照明光束的入射点ILP不相交。即，在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与望远镜40的光轴Ax不重合。
图5A是比较示例的检测装置的局部放大图，在该比较示例中，从动镜30被布置为使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与望远镜40的光轴Ax重合。图5B是根据第二实施例的检测装置2的局部放大图，在第二实施例中，从动镜30被布置为使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与望远镜40的光轴Ax不重合。
图6A是用于图示在图5A的情况下观察到的光接收元件52的光接收表面52D与反射光区域RF1G和RF2G之间的位置关系的图，反射光区域RF1G和RF2G通过来自望远镜40的反射光束RF1和RF2在与光接收表面52D平行的截面中形成。图6B是用于图示在图5B的情况下观察到的光接收元件52的光接收表面52D与反射光区域RF1G和RF2G之间的位置关系的图，反射光区域RF1G和RF2G通过来自望远镜40的反射光束RF1和RF2在与光接收表面52D平行的截面中形成。
如图5A中所示，当在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路与望远镜40的光轴Ax重合时，来自被提供在望远镜40中的光学元件的反射光束RF1和RF2各自沿着光轴Ax在与另一个反射光的反射方向相同的方向上被反射。
这使得从望远镜40到达的反射光束RF1和RF2在光接收单元50的光接收元件52的光接收表面上模糊。
反射光区域RF1G和RF2G被形成为当在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路与望远镜40的光轴Ax如上所述重合时如图6A中所示在平行于光接收表面52D的截面中与光接收表面52D重叠。
另一方面，如图5B中所示，当在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路与望远镜40的光轴Ax不重合时，来自被提供在望远镜40中的光学元件的反射光束RF1和RF2的反射角被分散。
如图6B中所示，这将反射光区域RF1G和RF2G与光接收表面52D间隔开。
因此，如图3C中所示，可以使来自被提供在望远镜40中的光学元件的在光接收元件52的光接收表面52D上接收到的不必要的光的视角范围相比于图3A中更窄。
当被提供在望远镜40中的光学元件具有对不必要的光的生成有显著贡献的反射表面时，在取决于来自反射表面的反射光束的方向的视角处生成强烈的不必要的光。换句话说，生成强烈的不必要的光的视角取决于望远镜40偏心的方向而变化。因而，通过除了使望远镜40偏心之外还如根据第一实施例的检测装置1中那样设置从动镜30的角度以使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线Sb的光路与望远镜40的光轴Ax不重合，不必要的光的视角范围可以被缩窄并且可以被移动到远离光接收元件52的光接收表面52D的中心的点，如图3D中所示。
虽然为了描述起见在图3D中允许保留不必要的光，但是优选的是设置从动镜30的角度和望远镜40的偏心位置，以使得将不必要的光从光接收元件52的光接收表面52D完全移除。
如图6B中所示，当反射光区域RF1G和RF2G与光接收表面52D的间隔的量分别被设为RF1s和RF2s时，间隔的量和间隔的方向取决于被提供在望远镜40中的光学元件的布置以及取决于望远镜40的偏心方向。因此，优选的是，在确定望远镜40偏心的方向时，考虑生成不必要的光的视角和使用检测装置2的视角。
如上所述，根据第二实施例的检测装置2，可以在取得来自被装置照明的远处物体的反射和散射光束的大部分的同时，在与根据第一实施例的检测装置1中相比更宽的视角范围内抑制装置中的不必要的光的生成。
一般要求车载LiDAR系统在与地水平的视角中要比在与地垂直的视角中更宽。因此，在根据第二实施例的检测装置2中，优选的是将方向X设置为与地水平的视角，将方向Y设置为与地垂直的视角，以及使望远镜在方向Y上偏心。
第三实施例
图7是根据本发明的第三实施例的检测装置3的示意性截面图。在图7中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
除了提供了可变功率光学系统60之外，根据第三实施例的检测装置3具有与根据第一实施例的检测装置1的配置相似的配置，并且检测装置3中的与检测装置1中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
可变功率光学系统(第二望远镜)60被放在光源形成单元10与从动镜30之间。第三实施例中的可变功率光学系统60具有光学倍率β(|β|<1)，并将已通过穿孔镜20并且具有光束直径r3a的平行光束转换成具有小于r3a的光束直径r3b的平行光束。具体地，通过使用有效直径r3a和可变功率光学系统60的光学倍率β，光束直径r3b由下面的表达式(3)表达。
[数学表达式3]
r3b＝r3a×|β|···(3)
已通过可变功率光学系统60的照明光束的光束直径r3b小于从动镜30的有效直径。
已从光源形成单元10发射并具有光束直径r3a的平行光束通过(透射通过)穿孔镜20，并且被可变功率光学系统60转换成具有光束直径r3b的照明光束。照明光束被从动镜30偏转，并且经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r3c的照明光束，以照明检测装置3外部的物体。然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r3c’。已重新进入的光束行进通过望远镜40并且被从动镜30偏转以变成具有光束直径r3b’的光束。被偏转的光束被可变功率光学系统60转换成具有大于r3b’的光束直径r3a’的接收光束。然后，接收光束在穿孔镜20处在与照明光束的方向不同的方向上被偏转(反射)以被光接收单元50接收。
然后，控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
如图7中所示，在根据第三实施例的检测装置3中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
因而，可以认为光束的有效直径r3b’等于从动镜30的有效直径。
通过使用光束的有效直径r3b’和可变功率光学系统60的光学倍率β，由接收单元50接收到的接收光的光束直径r3a’由下面的表达式(4)表达。
[数学表达式4]
当将在穿孔镜20中形成的开口的直径设为H时，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光束的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R)由下面的表达式(5)表达。
[数学表达式5]
当不提供可变功率光学系统60时，由光接收单元50接收的接收光束的光束直径r3a’等于从动镜30的有效直径，即，光束的有效直径r3b’。
当从光源形成单元10发射的平行光束的光束直径为r3a并且已通过穿孔镜20并进入从动镜30的平行光束的光束直径为r3b时，r3a等于r3b。
在这种情况下，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光束的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R’)由下面的表达式(6)表达。
[数学表达式6]
因此，根据表达式(5)和表达式(6)，损失比R与R’之比由下面的表达式(7)表达。
[数学表达式7]
因此，包括可变功率光学系统60使得根据第三实施例的检测装置3能够将由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光的由于穿孔镜20而引起的损失比)减小β2倍。
通过使用从动镜30的有效直径r3b’和望远镜40光学倍率β’(|β’|>1)，从望远镜40的发射表面重新进入的光束的有效直径r3c’由下面的表达式(8)表达。
[数学表达式8]
r3c′＝r3b′×|β′|···(8)
如图7中所示，光束的有效直径r3c’是从动镜30的有效直径r3b’的|β’|(>1)倍。
将根据第三实施例的检测装置3中的光接收单元50的接收光量F’与作为其中不包括可变功率光学系统60和望远镜40中的任一个的比较示例的检测装置3中的光接收单元50的接收光量F进行比较。
当具有有效直径r3b’的光束的光量在重新进入从动镜30时为1时，作为比较示例的检测装置3中的光接收单元50的接收光量F从表达式(6)通过下面的表达式(9)获得。
[数学表达式9]
当具有有效直径r3b’的光束的光量在重新进入从动镜30时类似地为1时，根据第三实施例的检测装置3中的光接收单元50的接收光量F’从表达式(5)和表达式(8)通过下面的表达式(10)获得。
[数学表达式10]
当r3b’、β和β’分别被设置为2H、0.2和3时，接收光量比F’/F由下面的表达式(11)表达。
[数学表达式11]
因此，根据第三实施例的检测装置3能够以是作为比较示例的检测装置3中的接收光量的大约十二倍的光量在光接收单元50处接收光。
通过使用被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1和望远镜40的光学倍率β’，从望远镜40出射的照明光束的主光线的偏转角θ2由下面的表达式(12)表达。
[数学表达式12]
如图7中所示，因为望远镜40的光学倍率β’大于1，所以照明光束的主光线的偏转角θ2小于被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1。
因此，在根据第三实施例的检测装置3中视角窄，但是检测间隔也窄，其结果是可以提高检测分辨率。
在来自远处物体的反射光的检测中，随着检测装置与物体之间的距离越长，检测装置越难以检测物体的尺寸。
特别地，在其中假设以高速驾驶汽车的自动驾驶中，要求在早的时刻检测远处物体的尺寸并将检测到的尺寸用作确定下一动作进程的基础，并且远处物体的尺寸的检测精度也相应地是重要的。
根据第三实施例的检测装置3具有新效果，该新效果在于不仅实现了接收光量的改进，而且还实现了检测分辨率的改进。
在根据第三实施例的检测装置3中，被放在穿孔镜20和从动镜30之间的可变功率光学系统60可以包括穿孔镜。在那种情况下，要求修改光接收单元50的光收集光学系统51的焦距，但是上述概念照原样适用于开口和光接收效率。
在根据第三实施例的检测装置3中，准直器12将从光源形成单元10中的光源11发射的发散光束转换成具有小于穿孔镜20的开口直径H的光束直径r3a的平行光束。但是，检测装置3不限于此，并且可以在光源形成单元10和穿孔镜20之间提供光阑。
在根据第三实施例的检测装置3中，仅由光源11和准直器12构成的光源形成单元10不限于此。当从光源11的发散角是非对称的时，可以在光源形成单元10中提供柱面透镜等，以对从光源11发射的发散光束进行整形，并且随后利用提供的光阑来调整光束直径。
在此，重要的是将来自检测装置的照明光束的光量保持在考虑对人眼的安全性而确定的上限处或以下，并且可以通过使用光阑在光源形成单元10中确定照明光束的有效直径。
第四实施例
图8是根据本发明的第四实施例的检测装置4的示意性截面图。在图8中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
除了在光接收单元50中新提供了视场光阑55之外，根据第四实施例的检测装置4具有与根据第一实施例的检测装置1的配置相似的配置，并且检测装置4中的与检测装置1中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
光接收单元50包括光收集光学系统51、光接收元件52以及视场光阑(光阑)55。视场光阑55被提供在光收集光学系统51的光收集点处，以限制由光收集光学系统51收集的光束的光束直径。
包括来自被照明的物体的反射光束的光束被光收集光学系统51收集，通过视场光阑55中的孔，并由光接收元件52接收。
已从光源形成单元10发射并具有光束直径r4a的平行光束通过接收照明光光分离单元20，被从动镜30偏转，并经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r4b的照明光束，以照明检测装置4的外部的物体。
然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r4b’。已重新进入的光束行进通过望远镜40并且被从动镜30偏转以变成具有光束直径r4a’的光束。被偏转的光束在接收照明光光分离单元20中在与照明光束的方向不同的方向上被偏转以被光接收单元50接收。
控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
如图8中所示，在根据第四实施例的检测装置4中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
通过使用从动镜30的有效直径r4a’和望远镜40的光学倍率β(|β|>1)，从望远镜40的发射表面重新进入的光束的有效直径r4b’由下面的表达式(13)表达。
[数学表达式13]
r4b′＝r4a′×|β|···(13)
如图8中所示，光束的有效直径r4b’是从动镜30的有效直径r4a’的|β|(>1)倍。因而，与未提供望远镜40时相比，根据第四实施例的检测装置4能够接收更多的来自物体的反射和散射光束。
通过使用被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1和望远镜40的光学倍率β，从望远镜40出射的照明光束的主光线的偏转角θ2由下面的表达式(14)表达。
[数学表达式14]
如图8中所示，因为望远镜40的光学倍率β大于1，所以照明光束的主光线的偏转角θ2小于被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1。
因此，在根据第四实施例的检测装置4中视角窄，但是检测间隔也窄，其结果是可以提高检测分辨率。
图9是用于图示来自物体200的光束如何重新进入根据第四实施例的检测装置4的图。
从检测装置4到物体200的距离被设为p，其中物体200被照明的面积被设为以及在望远镜40的发射表面上接收到的光束的最大视角被设为θSTC。
当在望远镜40的发射表面上接收到的光束的最大视角θSTC大于被照明的物体200的视角时，光接收元件52还接收不必要的光，诸如来自视角外部的光束以及在视角外部并在装置内部生成的散射光束。
因此，优选的是，配置根据第四实施例的检测装置4，使得满足下面的表达式(15)。
[数学表达式15]
图10是用于图示来自物体200的光束如何被根据第四实施例的检测装置4中的光接收元件52接收的图，并且在图10中图示了主光线。
如图10中所示，当在从动镜30静止时来自物体200的光束进入从动镜30的表面的角度被设为θSMC时，通过使用望远镜40的光学倍率β，角度θSMC由下面的表达式(16)表达。
[数学表达式16]
θSMC＝θSTC×|β|···(16)
因而，当光收集光学系统51的焦距被设为fc时，来自最大视角的在从动镜30静止时在光接收元件52的光接收表面52D上收集的光束的像高yR由下面的表达式(17)表达。
[数学表达式17]
yR＝fc×tanθSMC···(17)
因而，为了高效地接收来自物体200的光束，即，为了避免接收不必要的光，优选的是将光接收元件52的有效光接收直径D设置为满足下面的表达式(18)。
[数学表达式18]
D≤2×yR···(18)
在实践中，出于通用性的目的而不是光接收元件的有效光接收直径D的限制，更经常选择光收集光学系统51的焦距fc的调整，并且存在其中有效光接收直径D不能被设计为满足表达式(18)的情况。
在这种情况下，通过在光收集光学系统51的光收集点处提供视场光阑55，可以将光接收元件52的光接收视角限制为期望的视角。
当视场光阑55的孔直径被设为Pst时，孔直径Pst被设计为满足下面的表达式(19)。
[数学表达式19]
Pst≤2×yR···(19)
通过以这种方式设置视场光阑55，即使当有效光接收直径D不能被设计为满足表达式(18)时，也可以只接收来自期望视角的光束。因此，可以抑制诸如来自其它视角的光束以及装置内部的反射或散射光束之类的不必要的光的接收。
在第四实施例中，表达式(19)被设置为用于具有单个光束的视场光阑55的孔直径Pst的条件。但是，在实践中，也要求考虑光收集点处的光斑(spot)直径，并且出于大量接收光的目的，可以为视场光阑55的孔直径Pst设置比表达式(19)稍宽的范围。
期望视角处的接收光束的大约一半被孔径光阑阻挡，并且光轴外部的接收光的量相应减半。但是，当在孔部分处的光斑直径大时，光轴外部的接收光的量缓慢下降并且视角外部的接收光束中的大部分也被接收，其结果是相对于光轴内部的接收光的量，S/N比差。因此，物体的尺寸被不正确地确定。
因而，重要的是以平衡取得反射光束中的大部分与抑制不必要的光的接收的方式在取得反射光束中的大部分的同时抑制不必要的光的接收。因此，视场光阑55的孔直径Pst被确定为使得取得反射光束中的大部分与抑制不必要的光的接收之间的平衡带来接收光信号的质量的最大改进。
虽然在以上给出的描述中将照明区域、光接收视角等视为圆形的，但是取决于照明形状、要检测的光接收视角或其它因素，视场光阑55的孔可以具有矩形或椭圆形的形状。
根据第四实施例的检测装置4，因此可以在取得来自物体的反射光束中的大部分的同时适当地阻挡不必要的光，其结果是可以以提高的测距精度从更长的距离对物体进行测距。因为视角被限制，所以也可以提高在物体的尺寸的检测中的检测分辨率。
第五实施例
图11是根据本发明的第五实施例的检测装置5的示意性截面图。图11中也图示了用于光接收的光路。
除了在光接收单元50中新提供了重新成像光学系统56之外，根据第五实施例的检测装置5具有与根据第四实施例的检测装置4的配置相似的配置，并且检测装置5中的与检测装置4中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
光接收单元50包括光收集光学系统51、光接收元件52、视场光阑55和重新成像光学系统(第二成像光学系统)56。重新成像光学系统56被提供在视场光阑55和光接收元件52之间，从而将视场光阑55和光接收元件52的光接收表面52D置于基本上彼此共轭的关系。重新成像光学系统56将已通过视场光阑55的光束收集到光接收元件52的光接收表面52D上。
包括从被根据第五实施例的检测装置5照明的物体反射的反射光束的光束从望远镜40的发射表面重新进入。已重新进入的光束行进通过望远镜40并被从动镜30偏转以变成具有光束直径r5a’的光束。被偏转的光束被接收照明光光分离单元20在与照明光束的方向不同的方向上偏转以被光接收单元50接收。
控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
在检测装置5中，光接收元件52的光接收表面52D和视场光阑55理想地被布置为彼此相邻。
但是，当光接收表面52D在光接收元件52的内部时，就保持性能而言，光收集光学系统51的数值孔径NA太大，因此存在其中并非所有的被收集的光束都可以被光接收元件52接收的情况。
图12A和图12B各自是作为比较示例的检测装置5的局部放大图。图12C是根据第五实施例的检测装置5的局部放大图。
在图12A中，光接收表面52D比例如光接收元件52的保持单元(未示出)更靠近内部，并且已通过视场光阑55的被收集的光束散布在视场光阑55后面的光接收表面52D上而比光接收表面52D的表面区域宽。因此，被图示为阴影线部分的光未被接收。
如从表达式(17)和表达式(19)所理解的，这可以通过延长光收集光学系统51的焦距fc来防止。但是，在那种情况下，如图12B中所示，在光收集光学系统51后面的光路被延伸，并且装置的尺寸增加。
如图12C中所示，根据第五实施例的检测装置5通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56来解决该问题。这在光接收元件52的光接收表面52D上形成视场光阑55的像，并且因而可以防止表示不能被接收的光的阴影线部分中的光的损失。
如上所述，根据第五实施例的检测装置5，通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56，可以高效地接收反射光束而与光接收元件52的光接收表面52D的位置无关，并且也可以防止装置的尺寸的增加。
第六实施例
图13是根据本发明第六实施例的检测装置6的示意性截面图。在图13中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
除了新提供了可变功率光学系统60之外，根据第六实施例的检测装置6具有与根据第五实施例的检测装置5的配置相似的配置，并且检测装置6中的与检测装置5中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
根据第六实施例的检测装置6中的接收照明光光分离单元20是穿孔镜20。
可变功率光学系统60具有光学倍率β’(|β’|<1)，并将已通过穿孔镜20并且具有光束直径r6a的平行光束转换成具有小于r6a的光束直径r6b的照明光束。
具体地，通过使用有效直径r6a和可变功率光学系统60的光学倍率β’，光束直径r6b由下面的表达式(20)表达。
[数学表达式20]
r6b＝r6a×|β′|···(20)
已通过可变功率光学系统60的照明光束的光束直径r6b小于从动镜30的有效直径。
已从光源形成单元10发射并且具有光束直径r6a的平行光束通过穿孔镜20，并且由可变功率光学系统60转换成具有光束直径r6b的照明光束。照明光束被从动镜30偏转，并且经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r6c的照明光束，以照明检测装置6外部的物体。
然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r6c’。已重新进入的光束行进通过望远镜40并且被从动镜30偏转以变成具有光束直径r6b’的光束。然后，被偏转的光束被可变功率光学系统60转换成具有大于r6b’的光束直径r6a’的接收光束。接收光束在穿孔镜20处在与照明光束的方向不同的方向上被偏转以被光接收单元50接收。
然后，控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
如图13中所示，在根据第六实施例的检测装置6中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
因而，可以认为光束的有效直径r6b’等于从动镜30的有效直径。
如图13中所示，通过使用反射光的有效直径r6b’和可变功率光学系统60的光学倍率β’，从可变功率光学系统60进入穿孔镜20的光束的光束直径r6a’由下面的表达式(21)表达。
[数学表达式21]
当在穿孔镜20中形成的开口的直径被设为H时，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光束的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R)由下面的表达式(22)表达。
[数学表达式22]
当如参考图11在第五实施例中描述的那样不提供可变功率光学系统60时，从从动镜30进入穿孔镜20的光束的光束直径r6a’等于从动镜30的有效直径，即，光束的有效直径r6b’。
当从光源形成单元10发射的平行光束的光束直径为r6a并且已通过穿孔镜20并进入从动镜30的平行光束的光束直径为r6b时，r6a等于r6b。
在这种情况下，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R’)由下面的表达式(23)表达。
[数学表达式23]
根据表达式(22)和表达式(23)，损失比R与R’之比由下面的表达式(24)表达。
[数学表达式24]
因此，包括可变功率光学系统60使得根据第六实施例的检测装置6能够将由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光的由于穿孔镜20而引起的损失比)减小(β’)2倍。
在根据第六实施例的检测装置6中，通过使用在从动镜30静止时来自物体的光束进入从动镜30的表面的角度θSMC和可变功率光学系统60的光学倍率β’，在从动镜静止时光束从可变功率光学系统60进入穿孔镜20的视角θSMC’由下面的表达式(25)表达。
[数学表达式25]
θ′SMC＝θSMC×|β′|···(25)
可变功率光学系统60的光学倍率β’小于1，并且因而θSMC’小于θSMC。这意味着，通过提供可变功率光学系统60，来自最大视角的光收集光学系统51的光收集表面上(即，光接收表面52D上)的接收光束的入射像高减小。
因此，可变功率光学系统60的存在要求光收集光学系统51的焦距fc被延长。
但是，在根据第六实施例的检测装置6中，由于被提供在光收集光学系统51和光接收元件52之间的重新成像光学系统56，从穿孔镜20到光接收元件52的光接收表面52D的光路的长度可以被缩短。
因而，检测装置6具有另一效果，该另一效果在于通过提供重新成像光学系统56防止由于可变功率光学系统60的存在而导致的装置的尺寸的增加。
在根据第六实施例的检测装置6中，准直器12将从光源形成单元10中的光源11发射的发散光束转换成具有小于穿孔镜20的开口直径H的光束直径r6a的平行光束。但是，检测装置6不限于此，并且可以在光源形成单元10和穿孔镜20之间提供光阑。
在根据第六实施例的检测装置6中仅由光源11和准直器12构成的光源形成单元10不限于此。当从光源11的发散角是非对称的时，可以在光源形成单元10中提供柱面透镜等，以对从光源11发射的发散光束进行整形，并且随后利用提供的光阑来调整光束直径。
在此，重要的是将来自检测装置的照明光束的光量保持在考虑对人眼的安全性而确定的上限处或以下，并且可以通过使用光阑在光源形成单元10中确定照明光束的有效直径。
如上所述，根据第六实施例的检测装置6，通过在穿孔镜20和从动镜30之间提供可变功率光学系统60，可以提高在穿孔镜20处的光接收效率，并且可以取得来自被照明的远处物体的反射和散射光束中的大部分。此外，通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56，接收光束可以被高效地接收而与光接收元件52的光接收表面52D的位置无关，并且也可以防止装置的尺寸的增加。
第七实施例
图14是根据本发明的第七实施例的检测装置7的示意性截面图。在图14中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
根据第七实施例的检测装置7具有与根据第五实施例的检测装置5的配置相似的配置，并且检测装置7中的与检测装置5中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
已从光源形成单元10发射并且具有光束直径r7a的平行光束通过接收照明光光分离单元20，被从动镜30偏转，并经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r7b的照明光束，以照明检测装置7的外部的物体。
然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r7b’。已重新进入的光束行进通过望远镜40并且被从动镜30偏转以变成具有光束直径r7a’的光束。被偏转的光束在接收照明光光分离单元20中在与照明光束的方向不同的方向上被偏转以被光接收单元50接收。
控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
如图14中所示，在根据第七实施例的检测装置7中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
通过使用从动镜30的有效直径r7a’和望远镜40光学倍率β(|β|>1)，从望远镜40的发射表面重新进入的光束的有效直径r7b’由下面的表达式(26)表达。
[数学表达式26]
r7b′＝r7a′×|β|···(26)
如图14中所示，光束的有效直径r7b’是从动镜30的有效直径r7a’的|β|(>1)倍。因而，与未提供望远镜40时相比，根据第七实施例的检测装置7能够接收更多的来自物体的反射和散射光束。
通过使用被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1和望远镜40的光学倍率β，从望远镜40出射的照明光束的主光线的偏转角θ2由下面的表达式(27)表达。
[数学表达式27]
如图14中所示，因为望远镜40的光学倍率β大于1，所以照明光束的主光线的偏转角θ2小于被从动镜30偏转的平行光束的主光线的偏转角θ1。
因此，在根据第七实施例的检测装置7中视角窄，但是检测间隔也窄，其结果是可以提高检测分辨率。
如参考图9在第四实施例中描述的，从检测装置7到物体200的距离被设为p，其中物体200被照明的面积被设为以及在望远镜40的发射表面上接收到的光束的最大视角被设为θSTC。
当在望远镜40的发射表面上接收到的光束的最大视角θSTC大于被照明的物体200的视角时，光接收元件52还接收不必要的光，诸如来自视角外部的光束以及在视角外部并在装置内部生成的散射光束。
因此，优选的是，配置根据第七实施例的检测装置7，使得满足下面的表达式(28)。
[数学表达式28]
如图10中所示，当在从动镜30静止时来自物体200的光束进入从动镜30的表面的角度被设为θSMC时，通过使用望远镜40的光学倍率β，角度θSMC由下面的表达式(29)表达。
[数学表达式29]
θSMC＝θSTC×|β|···(29)
因而，当光收集光学系统51的焦距被设为fc时，来自最大视角的在从动镜30静止时在光接收元件52的光接收表面上收集的光束的像高yR由下面的表达式(30)表达。
[数学表达式30]
yR＝fc×tanθSMC···(30)
为了简化起见，在此忽略重新成像光学系统56。
因而，光接收元件52的有效光接收直径D被设置为使得满足下面的表达式(31)，以便高效地接收来自物体200的光束，即，以便避免接收不必要的光。
[数学表达式31]
D≤2×yR···(31)
在实践中，出于通用性的目的而不是光接收元件的有效光接收直径D的限制，更经常选择光收集光学系统51的焦距fc的调整，并且存在其中有效光接收直径D不能被设计为满足表达式(31)的情况。
在这种情况下，通过在光收集光学系统51的光收集点处提供视场光阑55，可以将光接收元件52的光接收视角限制为期望的视角。
当视场光阑55的孔直径被设为Pst时，孔直径Pst被设计为满足下面的表达式(32)。
[数学表达式32]
Pst≤2×yR···(32)
通过以这种方式设置视场光阑55，即使当有效光接收直径D不能被设计为满足表达式(31)时，也可以只接收来自期望视角的光束。因此，可以抑制诸如来自其它视角的光束以及装置内部反射或散射的光束之类的不必要的光的接收。
在第七实施例中，表达式(32)被设置为用于具有单个光束的视场光阑55的孔直径Pst的条件。但是，在实践中，也要求考虑光收集点处的光斑直径，并且出于大量接收光的目的，可以为视场光阑55的孔直径Pst设置比表达式(32)稍宽的范围。
期望视角处的接收光束的大约一半被孔径光阑阻挡，并且光轴外部的接收光的量相应减半。但是，当在孔部分处的光斑直径大时，光轴外部的接收光的量缓慢下降并且视角外部的接收光束中的大部分也被接收，其结果是相对于光轴内部的接收光的量，S/N比差。因此，物体的尺寸被不正确地确定。
因而，重要的是以平衡取得反射光束中的大部分与抑制不必要的光的接收的方式在取得反射光束中的大部分的同时抑制不必要的光的接收。因此，视场光阑55的孔直径Pst被确定为使得取得反射光束中的大部分与抑制不必要的光的接收之间的平衡带来接收光信号的质量的最大改进。
虽然在以上给出的描述中将照明区域、光接收视角等视为圆形的，但是取决于照明形状、要检测的光接收视角或其它因素，视场光阑55的孔可以具有矩形或椭圆形的形状。
以上述方式，可以在取得来自物体的反射光束中的大部分的同时适当地阻挡不必要的光，其结果是可以以提高的测距精度从更长的距离对物体进行测距。因为视角被限制，所以也可以提高在物体的尺寸的检测中的检测分辨率。
在根据第七实施例的检测装置7中，出于以下给出的原因，重新成像光学系统56被提供在视场光阑55和光接收元件52之间，如图14中所示。
在检测装置7中，光接收元件52的光接收表面52D和视场光阑55理想地被布置为彼此相邻。
但是，当光接收表面52D在光接收元件52的内部时，就保持性能而言，光收集光学系统51的数值孔径NA太大，因此存在其中并非所有的被收集的光束都可以被光接收元件52接收的情况。
如参考图12A在第五实施例中描述的，当光接收表面52D比例如光接收元件52的保持单元(未示出)更靠近内部时，已通过视场光阑55的被收集的光束散布在视场光阑55后面的光接收表面52D上而比光接收表面52D的表面区域宽。因此，被图示为阴影线部分的光束未被接收。
如从表达式(17)和表达式(19)所理解的，这可以通过延长光收集光学系统51的焦距fc来防止。但是，在那种情况下，如图12B中所示，在光收集光学系统51后面的光路被延伸，这增加了装置的尺寸。
如图12C中所示，根据第七实施例的检测装置7通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56来解决该问题。这在光接收元件52的光接收表面52D上形成视场光阑55的像，并且因而可以防止在上面提到的表示不能被接收的光束的部分的阴影线部分中的光束的损失。
如上所述，根据第七实施例的检测装置7，通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56，可以高效地接收反射光束而与光接收元件52的光接收表面52D的位置无关，并且还可以防止装置的尺寸的增加。
在根据第七实施例的检测装置7中，设置(倾斜)从动镜30的角度并且使望远镜40偏心，以使得在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的照明光束的主光线的光路与望远镜40的光轴Ax不重合，如参考图2A在第一实施例中以及参考图4、图5B和图6B在第二实施例中描述的。
根据第七实施例的检测装置7还具有这样的配置，在该配置中光接收元件52或重新成像光学系统56是偏心或倾斜的，以使得光接收元件52的光接收表面52D的中心位置或重新成像光学系统56的光轴不落在检测装置7的光轴上，如下所述。
换句话说，根据第七实施例的检测装置7具有这样的配置，在该配置中光接收元件52或重新成像光学系统56是偏心或倾斜的，以使得光接收元件52的光接收表面52D的中心位置或重新成像光学系统56的光轴不落在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的光束的主光线的光路上，如下所述。
图15A是比较示例的检测装置的局部放大图。图15B、图15C和图15D是根据第七实施例的检测装置7的局部放大图。
光接收元件52的光接收表面52D的中心位置被设为AXR’，重新成像光学系统56的光轴被设为AXR”，以及检测装置7的光轴被设为AXR。
在图15A中所示的比较示例的检测装置中，光接收元件52的光接收表面52D的中心位置AXR’和重新成像光学系统56的光轴AXR”落在检测装置7的光轴AXR上(不偏心)。
如图15A中所示，来自物体的光束被光收集光学系统51收集，通过视场光阑55，并且被重新成像光学系统56再次收集到光接收表面52D的中心部分。
如图15A中所示，不必要的光经由光收集光学系统51在视场光阑55前方的虚拟平面RF_P上被收集一次，然后在视场光阑55上被模糊地扩散。不必要的光的一部分通过视场光阑55，被重新成像光学系统56在虚拟平面RF_P’上再次收集，并且随后到达光接收表面52D。
图16是用于图示在这种情况下观察到的光接收元件52的光接收表面52D上形成的反射光区域RF1G与RF2G之间的位置关系的图。由于不必要的光，反射光区域RF2G与光接收表面52D部分重叠，并且这也取决于望远镜40的偏心方向。
在图15B中，根据第七实施例的检测装置7中的光接收元件52是偏心的，以使得光接收元件52的光接收表面52D的中心位置AXR’偏离检测装置7的光轴AXR。
如图15B中所示，在光接收表面52D上接收来自物体的反射光束。另一方面，不必要的光在光接收表面52D外部行进，因而未被接收。
在图15C中，根据第七实施例的检测装置7中的光接收元件52是偏心的并且被移位到虚拟平面RF_P’，以使得光接收元件52的光接收表面52D的中心位置AXR’偏离检测装置7的光轴AXR。
如上所述，不必要的光在虚拟平面RF_P’上被收集，并且不必要的光在被移位到虚拟平面RF_P’上的光接收元件52的光接收表面52D上的表面区域小。因而，除非来自物体的反射光束在光接收表面52D上太模糊，否则反射光束容易与不必要的光分开。
在图15D中，根据第七实施例的检测装置7中的重新成像光学系统56是偏心的，以使得重新成像光学系统56的光轴AXR”与检测装置7的光轴AXR不重合。
如图15D中所示，重新成像光学系统56的偏心也使得不必要的光在光接收表面52D的光接收范围外部行进，以确保在光接收表面52D上接收来自物体的反射光束的同时不接收不必要的光。
如上所述，根据第七实施例的检测装置7，可以通过光接收元件52或重新成像光学系统56的偏心或倾斜以使得光接收元件52的光接收表面52D的中心位置或重新成像光学系统56的光轴不落在检测装置7的光轴(换句话说，在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的光束的主光线的光路)上来防止不必要的光的接收。
第八实施例
图17是根据本发明的第八实施例的检测装置8的示意性截面图。在图17中，分开地图示了用于照明的光路和用于光接收的光路。
除了新提供了可变功率光学系统60之外，根据第八实施例的检测装置8具有与根据第七实施例的检测装置7的配置相似的配置，并且检测装置8中的与检测装置7中的构件相同的构件由相同的附图标记表示，以便省略对构件的描述。
根据第八实施例的检测装置8中的接收照明光光分离单元20是穿孔镜20。
可变功率光学系统60具有光学倍率β’(|β’|<1)，并将已通过穿孔镜20并且具有光束直径r8a的平行光束转换成具有小于r8a的光束直径r8b的照明光束。
具体地，通过使用有效直径r8a和可变功率光学系统60的光学倍率β’，光束直径r8b由下面的表达式(33)表达。
[数学表达式33]
r8b＝r8a×|β′|···(33)
已通过可变功率光学系统60的照明光束的光束直径r8b小于从动镜30的有效直径。
已从光源形成单元10发射并且具有光束直径r8a的平行光束通过穿孔镜20，并被可变功率光学系统60转换成具有光束直径r8b的照明光束。照明光束被从动镜30偏转，并且经由望远镜40在发射表面上变成具有光束直径r8c的照明光束，以照明检测装置8外部的物体。
然后，从望远镜40的发射表面重新进入光束，该光束包括由被照明的物体反射的反射光束并且具有有效直径(即，望远镜40的有效发射直径)r8c’。已重新进入的光束行进通过望远镜40并且被从动镜30偏转以变成具有光束直径r8b’的光束。被偏转的光束被可变功率光学系统60转换成具有大于r8b’的光束直径r8a’的接收光束。接收光束在穿孔镜20处在与照明光束的方向不同的方向上被偏转以被光接收单元50接收。
然后，控制单元100测量在光接收元件52中获取的光接收时间与光源11的光发射时间之间的差，或者在光接收元件52中获取的接收光信号的相位与来自光源11的输出信号的相位之间的差。将差乘以光速，以确定与物体的距离。
如图17中所示，在根据第八实施例的检测装置8中，从动镜30被高速驱动，因此考虑到重量，要求从动镜30具有小直径，其结果是被从动镜30偏转的光束的有效直径自然小。因而，从动镜30容易地限制包括来自被照明的物体的反射光束的光束的有效直径。
因而，可以认为光束的有效直径r8b’等于从动镜30的有效直径。
如图17中所示，通过使用光束的有效直径r8b’和可变功率光学系统60的光学倍率β’，从可变功率光学系统60进入穿孔镜20的光束的光束直径r8a’由下面的表达式(34)表达。
[数学表达式34]
当在穿孔镜20中形成的开口的直径被设为H时，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光束的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R)由下面的表达式(35)表达。
[数学表达式35]
当如参考图14在第七实施例中描述的那样不提供可变功率光学系统60时，从从动镜30进入穿孔镜20的光束的光束直径r8a’等于从动镜30的有效直径，即，光束的有效直径r8b’。
当从光源形成单元10发射的平行光束的光束直径为r8a并且通过穿孔镜20然后进入从动镜30的平行光束的光束直径为r8b时，r8a等于r8b。
在这种情况下，由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光束的一部分由于穿孔镜20而损失的损失比R’)由下面的表达式(36)表达。
[数学表达式36]
因此，根据表达式(35)和表达式(36)，损失比R与R’之比由下面的表达式(37)表达。
[数学表达式37]
因此，包括可变功率光学系统60使得根据第八实施例的检测装置8能够将由于穿孔镜20而不能被光接收单元50接收作为接收信号的光量的比例(即，接收光的由于穿孔镜20而引起的损失比)减小(β’)2倍。
在根据第八实施例的检测装置8中，通过使用在从动镜30静止时来自物体的光束进入从动镜30的表面的角度θSMC和可变功率光学系统60的光学倍率β’，在从动镜静止时光束从可变功率光学系统60进入穿孔镜20的视角θSMC’由下面的表达式(38)表达。
[数学表达式38]
θ′SMC＝θSMC×β′··.(38)
可变功率光学系统60的光学倍率β’小于1，并且因而θSMC’小于θSMC。这意味着，通过提供可变功率光学系统60，来自最大视角的光收集光学系统51的光收集表面上(即，光接收表面52D上)的接收光束的入射像高减小。
因此，可变功率光学系统60的存在要求光收集光学系统51的焦距fc被延长。
但是，在根据第八实施例的检测装置8中，由于被提供在光收集光学系统51和光接收元件52之间的重新成像光学系统56，从穿孔镜20到光接收元件52的光接收表面52D的光路的长度可以被缩短。
因此，检测装置8具有另一效果，该另一效果在于通过提供重新成像光学系统56，防止由于可变功率光学系统60的存在而导致的装置的尺寸的增加。
在根据第八实施例的检测装置8中，准直器12将从光源形成单元10中的光源11发射的发散光束转换成具有小于穿孔镜20的开口直径H的光束直径r8a的平行光束。但是，检测装置8不限于此，并且可以在光源形成单元10和穿孔镜20之间提供光阑。
在根据第八实施例的检测装置8中仅由光源11和准直器12构成的光源形成单元10不限于此。当从光源11的发散角是非对称的时，可以在光源形成单元10中提供柱面透镜等，以对从光源11发射的发散光束进行整形，随后利用提供的光阑来调整光束直径。
在此，重要的是将来自检测装置的照明光束的光量保持在考虑对人眼的安全性而确定的上限处或以下，并且可以通过使用光阑在光源形成单元10中确定照明光束的有效直径。
如上所述，根据第八实施例的检测装置8，可以提高在穿孔镜20处的光接收效率，并且可以通过在穿孔镜20和从动镜30之间提供可变功率光学系统60来取得来自被照明的远处物体的反射和散射光束中的大部分。此外，通过在视场光阑55和光接收元件52之间提供重新成像光学系统56，接收光束可以被高效地接收而与光接收元件52的光接收表面52D的位置无关，并且也可以防止装置的尺寸的增加。还可以通过使光接收元件52或重新成像光学系统56偏心或倾斜以使光接收元件52的光接收表面52D的中心位置或重新成像光学系统56的光轴不落在检测装置8的光轴(换句话说，在从动镜30的扫描视角的范围内的中心视角处的光束的主光线的光路)上来防止不必要的光的接收。
至此结束了对根据实施例的检测装置的描述。但是，本发明不限于这些实施例，并且可以对其进行各种改变和修改。
如上所述，在根据本发明的实施例的检测装置中，从动镜和望远镜被布置为使得在从动镜的驱动范围内的中心视角不落在望远镜的光轴上。具体地，在来自被包括在望远镜中的光学元件的反射和散射光束中，可以通过使从动镜倾斜来保持围绕光轴的频繁生成的反射和散射光束偏离光接收表面的中心。
望远镜也在垂直于光轴的方向上偏心，以使照明光束进入从动镜的入射点偏离望远镜的光轴，从而使来自被包括在望远镜中的光学元件的反射光束分散在各个方向上，并使进入光接收单元的不必要的光分射(模糊)。
这使得检测装置能够在望远镜的光轴附近分散强烈的不必要的光，或者将生成不必要的光的视角从光接收表面的中心偏移，并且通过选择合适的视角，可以在检测和测量来自物体的反射光束所需的视角范围内防止不必要的光的接收。
通过以这种方式布置望远镜、倾斜从动镜和使望远镜偏心，可以在接收来自物体的反射和散射光束中的大部分的同时，防止接收不必要的光。因此，可以获得能够精细检测远处物体的检测装置。
根据本发明的实施例的检测装置尤其可应用作为如下所述的用于对自动机器的遥远测距的检测装置和用于自动驾驶的传感器。
<车载系统>
图18是包括根据上述第一实施例至第八实施例之一的检测装置1的车载系统(驾驶辅助装置)600的配置的图。
车载系统600是被安装在汽车或其它类型的车辆中以基于通过检测装置1获得的关于车辆的周围环境的图像信息来辅助车辆的驾驶的装置。
如图18中所示，车载系统600包括根据上述第一实施例至第八实施例之一的检测装置1、碰撞确定单元70、车辆信息获取设备80、控制设备(电子控制单元：ECU)90和警报设备95。
图19是包括车载系统600的车辆700的示意图。
在图19中图示了其中检测装置1的检测范围300被设置为车辆700前方的空间的情况。检测范围300可以被设置为车辆700后方的空间。
被安装在图19中的车辆700内部的检测装置1可以被安装在车辆700的外部。
图20是用于图示根据本发明的实施例的车载系统600的操作的示例的流程图。
下面通过跟随流程图来描述车载系统600的操作。
在步骤S1中，通过使用检测装置1来检测车辆的周围环境中的物体(被检体)，并获取关于到物体的距离的信息(距离信息)。
在步骤S2中，从车辆信息获取设备80获取车辆信息。车辆信息是包括车辆的速度、偏航率、转向角等的信息。
在步骤S3中，碰撞确定单元70确定由检测装置1获取的距离信息是否指示被包含在预先设置的设定距离范围中的距离。以这种方式，碰撞确定单元70确定障碍物是否在距车辆的设定距离内存在于周围环境中，以确定车辆与障碍物之间的碰撞可能性。
当障碍物存在于设定距离内时(步骤S3中为“是”)，碰撞确定单元70确定存在碰撞可能性(步骤S4)。当没有障碍物存在于设定距离内时(步骤S3中为“否”)，碰撞确定单元70确定不存在碰撞可能性(步骤S5)。
接下来，当确定存在碰撞可能性时，碰撞确定单元70将确定的结果通知给控制设备90和警报设备95。此时，控制设备90基于由碰撞确定单元70做出的确定的结果来控制车辆，并且警报设备95基于由碰撞确定单元70做出的确定的结果来发出警报。
例如，控制设备90通过产生用于在每个轮中生成制动功率的控制信号来对车辆执行诸如制动、停止加速或者抑制引擎或马达的输出之类的控制。
警报设备95通过例如发出警报声音(警告)(诸如声音)、在汽车导航系统等的屏幕上显示警报信息或者振动安全带或方向盘来向车辆的用户(驾驶员)发出警报。
根据这个实施例的车载系统600，可以通过上述处理有效地检测障碍物，并且因而可以避免车辆与障碍物之间的碰撞。特别地，通过将根据上述实施例的检测装置应用于车载系统600，可以以高精度进行障碍物检测和碰撞确定。
在这个实施例中被应用于驾驶辅助(碰撞损害减少)的车载系统600不限于此，并且可以被应用于巡航控制(包括自适应巡航控制)、自动驾驶等。车载系统600也不限于汽车和类似车辆，并且可应用于移动物体(移动装置)，例如，船、飞机或工业机器人。车载系统600也不限于根据本发明的实施例的检测装置1和移动物体，并且可应用于使用物体识别的各种类型的装备，例如智能运输系统(ITS)。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求于2018年1月9日提交的日本专利申请No.2018-001405的权益，其通过引用整体并入本文。
[附图标记列表]
1 检测装置
11 光源
20 接收照明光光分离单元(分离单元)
30 从动镜(偏转单元)
40 望远镜(第一望远镜)
52 光接收元件
200 物体
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