用于目标三维探测的激光雷达装置的制造方法
【专利说明】用于目标三维探测的激光雷达装置
[0001]本申请是申请日为2008年2月28日，名称为“用于目标三维探测的激光雷达装置”，申请号为200810092043.1的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及激光雷达装置，并且尤其是涉及使用激光束来探测待测目标的距离和方向的激光雷达装置。
【背景技术】
[0003]日本专利公开文件JP2789741号公开了一种常规激光雷达装置。由此公开文件公开的装置装配有激光束发生器、探测器和激光束通过其传输的光隔离器。所述激光束发生器产生激光束，而所述光隔离器位于来自所述发生器的激光束的光轴上以将反射光反射朝向探测器，探测器探测来自待测目标的反射光。此外，凹面镜设置于激光束的光轴上，以便所述凹面镜在其沿着激光束的光轴方向的中心轴上旋转。此凹面镜不仅将入射激光束反射进入空间，而且将来自待测目标的反射光反射朝向隔离器，以便可以在360度的范围上进行水平扫描。
[0004]然而在依照上面公开文件的技术情况下，由旋转凹面镜执行的360度的水平扫描面临缺点。正如所述，在360度的范围上的水平扫描使得通过扫描整个角度探测范围(激光束的扫描范围)来探测装置的整个周围环境成为可能。然而，存在的问题是该探测范围受限于平面范围。尤其是，特别是由凹面镜反射的激光束被强制扫描给定平面(扫描平面)，导致扫描平面之外的区域无法得到扫描。也就是说，如果目标移离扫描平面，则无法检测该目标。此外，甚至当目标存在于扫描平面时，也无法以三维方式掌握目标的存在。
【发明内容】
[0005]本发明对前述的情况进行了考虑，并且本发明的目的是提供一种激光雷达装置，具有能够对装置外部的周围区域进行三维扫描以检测区域中目标的能力。
[0006]为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种激光雷达装置，包括:产生激光束的激光束发生器；对由待观测区域内的目标反射的反射光进行探测的光探测器；偏转执行构件，装配有一个或多个偏转构件，每个都可以在其给定中心轴上旋转，用于使所述偏转构件能够将所述激光束偏转到所述区域并且将反射光偏转朝向所述光探测器；被驱动以旋转所述偏转构件的驱动构件；改变来自所述偏转构件的激光束方向的方向改变构件，在所述中心轴方向进行改变；以及控制所述方向改变构件的操作的控制构件。
[0007]优选地，所述方向改变构件由光偏转构件构成，所述光偏转构件适用于将来自激光束发生器的激光束偏转朝向所述偏转构件并且配置为可摆动的(即配置为能够摆动)，而所述控制构件由摆动控制构件构成，所述摆动控制构件控制所述光偏转构件的摆动动作。
[0008]作为本发明的另一种模式，提供了一种激光雷达装置，包括:产生激光束的激光束发生器；对由待观测区域中的目标反射的反射光进行探测的光探测器；偏转执行构件，装配有每个都可在其给定中心轴上旋转的偏转构件，用于使所述偏转构件能够将所述激光束偏转到所述区域以及将反射光偏转朝向所述光探测器；旋转和驱动所述偏转构件的驱动构件；其中，所述偏转构件包括在激光束入射位置彼此叠层并且产生用于以不同方向反射所述激光束的多个反射层，其中，在这些反射层中，最底下反射层之外的其他反射层执行激光束的反射和透射；激光束选择构件，从由所述多个反射层反射的激光束中仅选择一个激光束，所选择的一个激光束被发射进入所述区域进行目标探测；以及控制构件，对由所述激光束选择构件执行的选择进行控制，以便所选择的激光束在所述中心轴方向上进行扫描。
[0009]优选地，最底下反射层之外的其他反射层形成为半镀银反射镜。
[0010]同样优选地，所述激光束选择构件包括一对环形光屏蔽部件，安装成围绕所述偏转构件，沿着中心轴方向距彼此给定的间隔设置以便在两者间产生狭缝，以及将所述一对环形光屏蔽部件一起移置的移置构件，其中所述控制构件包含用于对由所述移置构件执行的移置操作进行控制的构件。
【附图说明】
[0011]在附图中:
[0012]图1是示意图，概略示出了依照本发明第一实施例的激光雷达装置的配置；
[0013]图2是透视图，显示了第一实施例中使用的移置机构；
[0014]图3是示意图，概略示出了依照本发明第二实施例的激光雷达装置的配置；
[0015]图4是示意图，概略示出了依照本发明第三实施例的激光雷达装置的配置；
[0016]图5是示意图，概略示出了依照本发明第四实施例的激光雷达装置的配置；
[0017]图6是示意图，概略示出了依照本发明第五实施例的激光雷达装置的配置；
[0018]图7是侧视图，显示了第五实施例中使用的光偏转部件；
[0019]图8A显示了如何驱动反射镜；
[0020]图8B显示了其上安装有压电致动器的反射镜；
[0021]图9是由第五实施例中所使用的控制电路执行的流程图；
[0022]图10是示意图，概略示出了依照本发明第六实施例的激光雷达装置的配置；
[0023]图11A和11B显示了第六实施例中所使用的光偏转部件；
[0024]图12是由第六实施例中所使用的控制电路执行的流程图；
[0025]图13是示意图，概略示出了依照本发明第七实施例的激光雷达装置的配置；
[0026]图14A显示了第七实施例中所使用的偏转部件；
[0027]图14B显示了第七实施例中所使用的凸轮机构；
[0028]图15A说明了偏转部件和凸轮机构的操作；
[0029]图15B是截面图，显示了电源线的布线；
[0030]图16是由第七实施例中所使用的控制电路执行的流程图；
[0031]图17是示意图，概略示出了依照本发明第八实施例的激光雷达装置的配置；
[0032]图18A和18B显示了第八实施例中所使用的偏转部件和振动单元的结构和操作；
[0033]图19是示意图，概略示出了依照本发明第九实施例的激光雷达装置的配置；
[0034]图20说明了第九实施例中所使用的旋转偏转机构；
[0035]图21是平面视图，显示了偏转部件；
[0036]图22说明了依照第九实施例的第一修改例的旋转偏转机构；
[0037]图23说明了依照第九实施例的第二修改例的旋转偏转机构；
[0038]图24是示意图，概略示出了依照本发明第十实施例的激光雷达装置的配置；
[0039]图25A和25B每一个都说明了第十实施例中所使用的旋转偏转机构的操作；
[0040]图26A和26B分别以侧视图和截面图说明了连接机构；
[0041 ]图27A和27B每一个都说明了偏转部件的旋转和对偏转部件的振动操作；
[0042]图28是示意图，概略示出了依照本发明第十一实施例的激光雷达装置的配置；
[0043]图29是平面图，说明了偏转部件的旋转和对旋转的导向；
[0044]图30说明了第^^一实施例中所使用的导向通道；
[0045]图31说明了依照第十一实施例的修改的导向通道；
[0046]图32是示意图，概略示出了依照第十一实施例的另一个修改的激光雷达装置的配置；
[0047]图33是示意图，概略示出了依照本发明第十二实施例的激光雷达装置的配置；
[0048]图34说明了第十二实施例中的激光束发射和反射光接收；
[0049]图35说明了对发射朝向待观测区域的激光束的选择；
[0050]图36A和36B每一个都显不了对电源线布线的修改。
【具体实施方式】
[0051 ] 在下文中，将参考附图描述本发明的优选实施例。
[0052](第一实施例)
[0053]下面将参考图1和2描述依照本发明第一实施例的激光雷达装置1。
[0054]图1概要描述了依照第一实施例的激光雷达装置1的配置。
[0055]如图1所示，激光雷达装置1装配有外壳3，配置为探测到目标的距离和目标的方向。在外壳3中，装配有激光二极管10和接收来自待测目标的反射光L2的光电二极管20。激光二极管10用作激光束发生器的一个示例，并配置成用于响应于从未示出的驱动电路所提供的脉冲电流而发射脉冲激光束L1。光电二极管20用作光探测器的一个示例，并配置成用于探测激光束L1的反射光L2，其由待探测目标反射，并且将反射光L2转换为电信号。来自目标的反射光L2由获取自预定角度范围的光组成。在图1所示的例子中，发射激光束L1以沿由实线所示的路径通过，使得自两条线L2之间获取的光组成反射光。
[0056]如图1中所示，透镜60安装在激光束L1的光轴上的位置。此透镜60由准直透镜组成，将来自激光二极管10的激光束L1转换为平行光。
[0057]在来自透镜60的激光束L1的光路上安装有摆动反射镜31，用作光偏转构件。此摆动反射镜31相当于方向改变构件的一个示例，其配置为可摆动并且将来自激光二极管10的激光束L1偏转朝向旋转偏转机构40。此摆动反射镜31改变激光束对偏转部件41的入射角，以便能够在中心轴42a的方向上改变来自偏转部件41的激光束的方向。
[0058]摆动反射镜31由基于多自由度的反射镜驱动器进行驱动。这种驱动技术是已知的，并且可以通过使用例如电反射镜(galvano-mirror)获得，因而在此省略了对这一技术的详细说明，而是概略说明如下。反射镜驱动器可以通过采用这样的配置实现:摆动反射镜31由例如万向接头或枢轴承来支撑，以便容许摆动反射镜31旋转。
[0059]图2举例说明了摆动反射镜31，其中显示了移置机构33，用于移动摆动反射镜31。移置机构33装配有安装在外壳3中给定位置的框架(未示出)，以及可旋转地支撑在此框架上的反射镜支撑框架34。摆动反射镜31以使得摆动反射镜31能够在由第一轴33a和垂直于该第一轴33a的第二轴33b构成的两个方向中的每一个上旋转的方式由反射镜支撑框架34支撑。摆动反射镜31具有反射表面31a。图2中所示支撑容许按其三维位置来控制摆动反射镜31的反射表面31a。
[0060]如图1中所示，方向关系规定为这样:来自激光二极管10的激光束L1的发射方向指定为X轴方向，旋转偏转机构40的中心轴42a的方向指定为Y轴方向，而垂直于X和Y轴的方向指定为Z轴。在这样的方向规定下，反射表面31a和XY平面之间所成的角度规定为α，反射表面31a和YZ平面之间所成的角度规定为β，而反射表面31a和XZ平面之间所成的角度规定为γ。从而通过使控制电路70控制致动器36，可以自由地决定角度α、β和γ。
[0061]移置机构33配置为由致动器36驱动，如图1中概述的。致动器36包括第一致动器和第二致动器。第一致动器例如为电动机，其控制反射镜支撑框架34到达相对于装置机身的特定位置。第二致动器例如为另一个电动机，其控制摆动反射镜31相对于反射镜支撑框架的位置。致动器36能够响应于来自控制电路70的控制。也就是说，响应于来自控制电路70的控制信号，第一致动器设定反射镜支撑框架34的位置并且第二致动器设定摆动反射镜31相对于反射镜支撑框架34的位置，从而可以决定摆动反射镜31相对于激光束L1的倾角。控制电路70包括装配有CPU(中央处理单元)的微型计算机，并起控制构件的作用。
[0062]在摆动反射镜31所反射的激光束L1的光轴上，安装有旋转偏转机构40，其显示了旋转/偏转构件的一个示例。此旋转偏转机构40装配有由反射镜构成的偏转部件41、支撑偏转部件41的支撑基座43、与基座43连接的轴部件42、以及可旋转地支撑轴部件42的未示出的轴承，所述反射镜具有平的反射表面41a。偏转部件41不仅将激光束偏转到空间，而且将反射光线偏转为朝向光电二极管20。此由旋转偏转机构40的一部分构成的偏转部件41可以在中心轴42a上旋转，并且起偏转构件的作用。
[0063]在本激光雷达装置1中，由偏转部件41提供的用于将反射光偏转的偏转范围，即反射表面41a的面积，设置为大于由摆动反射镜31给出的用于将激光束偏转的偏转范围，即摆动反射镜31的反射表面31a的面积。
[0064]另外，为了将旋转偏转机构40旋转，装配电动机50作为驱动构件。驱动电动机50以旋转轴部件42，引起与轴部件42相连接的偏转部件41的旋转。在此实施例中，电动机50是步进电动机。有多种类型的步进电动机可供使用，其每一步的角度越小，角度的控制越精细。对于电动机50，可以采用步进电动机以外的其他驱动构件。例如，可以使用伺服电机或连续旋转的电动机。在连续旋转的电动机中，当偏转部件41定向到待测距离的方向时，时间同步地输出脉冲激光束，由此在所希望的方向上执行探测。
[0065]在本实施例中，如图1所示，装配有角度传感器52以探测电动机50的轴部件42的角位置(即偏转部件41的角位置)。任何类型的角度探测装置都是可用的，例如旋转编码器，只要能够探测轴部件42的角位置。此外，电动机50的类型也可以限定为专门的类型。
[0066]在从旋转偏转机构40到光电二极管20的反射光的光路上，设置有会聚透镜62，以会聚反射光并且将其导引到光电二极管20。此外，在会聚透镜62和光电二极管20之间设置有滤光器64。会聚透镜62起到光会聚装置的作用。滤光器64设置于旋转偏转机构40之间的光路上的给定位置，以便使得反射光透过滤光器64，但消除反射光之外的其他光。从而滤光器64起到光选择构件的作用。具体地说，滤光器64由波长选择滤光器组成，该滤光器使得仅容许具有属于特定波长范围的波长的光通过此滤光器成为可能，所述特定波长范围对应于反射光L2。
[0067]在本实施例中，外壳3将激光二极管10、光电二极管20、光偏转部件30、透镜60、旋转偏转机构40、电动机50及其他组件容纳其中，保护这些组件以防止灰尘和震动。在外壳3中的偏转部件41周围，作为外壳3的一部分安装有透光部分(light-passingport1n) 4，以便将偏转部件41包围但却使得激光束L1和反射光L2能够透过。透光部分4形成为圆环状。从而此部分4在接近360度的范围上覆盖光发射/接收视窗。此透光部分4由例如由玻璃制成的透光板5分段，透光板5在整个圆周上倾斜过渡到垂直于进入偏转部件41的激光束L1光轴的平面。也就是说，自偏转部件41偏转的激光束L1总是以倾斜的角度横穿板5。因此，由于这种倾斜的横穿配置，从光透射板5反射的光L1具有对光噪声成分良好的抵抗性。
[0068]下面将根据其操作来描述本激光雷达装置1。
[0069]当施加脉冲电流到激光二极管10时，激光二极管10发射脉冲激光，其持续时间与脉冲电流的脉冲宽度一致。此激光作为具有一定水平的发散角度的扩散光发射，并且通过透镜60后转换为平行光(即激光束L1)。然后，所产生的激光束L1由放置在光偏转部件30处的摆动反射镜31反射以进入偏转部件41，其后由偏转部件41反射以辐射到空间。
[0070]由偏转部件41反射的激光束L1然后由待探测的目标反射，如果存在这些目标的话。一部分反射光成为反射光L2，返回进入偏转部件41，从而反射光L2从偏转部件41反射朝向光电二极管20。然后此反射光L2由会聚透镜62会聚并且经由滤光器64进入光电二极管20。
[0071]光电二极管20通过输出例如电压对应于所接收的反射光L2的电信号来响应于光接收。从而，测量从激光二极管10开始输出激光束L1到由光电二极管20探测到反射光L2的时间间隔，提供了从装置到每个目标的距离。另外，摆动反射镜31的移置和偏转部件41的移置的结合使得能够计算每个目标的方向。换句话说，当摆动反射镜31的反射平面31a和XY平面之间的夹角α、反射平面31a和YZ平面之间的夹角β以及反射平面31a和ΧΖ平面之间的夹角γ已知，并且偏转部件41的旋转角度位置已知时，可以唯一地决定从偏转部件41发射的光束L1的方向，由此可以计算每个目标的方向。
[0072]当摆动反射镜31以受控方式进行移置时，激光束的光路改变如下。
[0073]图1举例说明了旋转偏转机构40，其在其中心轴42a上旋转直至给定的角度。以这种旋转状态，当摆动反射镜31采用图1所示摆动幅度时，激光束L1经过实线所示的路径，导致反射光存在于由参考线L2所示的两个实线空间分割的范围内。另一方面，当摆动反射镜31发生摆动以沿着虚线L1’反射激光束L1时，激光束L1对偏转部件41的入射角从先前的入射角发生改变。从而摆动反射镜31摆动幅度的移置引起摆动反射镜31处激光束反射角的变化，如虚线L1’所例示的。这一反射角变化将造成由偏转部件4偏转的激光束在图1的XY平面中向上改变。在此情况下，相应的反射光路也如虚线L2’所示发生改变。由偏转部件41反射的反射光如所述的进入会聚透镜62并经历在滤光器64处的处理和由光电二极管20的探测。
[0074]如所述的，在依照本实施例的激光雷达装置1中，偏转部件41以受控的方式在其给定中心轴42a上旋转，使得待发射到空间的激光束L1和从目标到光电二极管20的反射光L2沿着XZ平面偏转遍及360度。除此之外，来自偏转部件41的激光束L1的方向由摆动反射镜31相对于中心轴42a改变，即，每一个都包含中心轴42a的平面方向的每一个(在图1中，即