激光雷达装置以及行驶体的制作方法

本发明涉及通过使激光扫描而生成计测对象区域的三维信息的激光雷达装置以及行驶体。

背景技术：

一般而言，公知这样一种激光雷达装置：该激光雷达装置使激光在计测对象区域一边扫描一边照射，通过利用受光元件接收来自于在该计测对象区域中存在的物体等的反射光而得到受光信号，并从该受光信号的分布生成计测对象区域的三维信息。在这种激光雷达装置中，在激光的送光侧以及反射光的受光侧各自设置扫描器，通过配合扫描时的送光侧的扫描器的镜角(激光的送光角)而随时调整受光侧的扫描器的镜角(反射光的受光角)，从而使反射光入射到受光元件。在该结构中，由于在送光侧以及受光侧双方设置扫描器，因此存在激光雷达装置整体大型化的问题。

为了解决上述问题，以前提出了在受光侧不设置扫描器的激光雷达装置(参照专利文献1)。该激光雷达装置具备使长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上以阵列状排列的长条受光元件阵列、放大接收信号的互阻抗放大器阵列和对来自互阻抗放大器阵列的各元件的接收信号进行加法运算的加法运算电路，从而确保广阔的二维视野并实现受光侧的无扫描。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)专利第5602225号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

但是，在现有的结构中，由于具备使长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上以阵列状排列的长条受光元件阵列，因此存在长条受光元件阵列整体大型化的问题。另外，需要对以阵列状排列的各长条受光元件所接收的接收信号进行加法运算的加法运算电路，存在装置结构以及信号处理较为烦杂的问题。

本发明是鉴于以上情况而作出的，目的在于提供谋求受光元件的小型化并能够以简单的结构实现受光侧的无扫描的激光雷达装置以及行驶体。

用于解决技术问题的手段

为了解决上述技术问题从而达成目的，本发明的特征在于，具备：激光光源；送光侧透镜，其使从激光光源照射的激光成形为点状；扫描器，其使成形为点状的激光在计测对象区域的第一方向以及与该第一方向正交的第二方向上一边扫描一边照射；受光侧透镜，其接收从计测对象区域反射的反射光；受光侧光学系统，其使利用受光侧透镜接收到的反射光分别在第一方向以及第二方向上聚光；受光部，其接收利用受光侧光学系统聚光后的反射光，并输出基于接收到的反射光所包含的激光的接收信号；信息生成部，其基于受光部输出的接收信号，生成计测对象区域的三维信息。

根据该结构，由于具备使利用受光侧透镜接收到的反射光分别在第一方向以及第二方向上聚光的受光侧光学系统和接收利用受光侧光学系统聚光后的反射光并输出基于接受到的反射光所包含的激光的接收信号的受光部，因此能够使该受光部的受光元件小型化，并且能够将计测对象区域整体收入受光元件的传感器视野，能够以简单的结构实现受光侧的无扫描。

在该结构中，也可以构成为具有单一受光元件。根据该结构，能够将计测对象区域整体收入单一受光元件的传感器视野，因此不需要对受光元件的接收信号进行加法运算的加法运算电路，能够实现电路结构的简单化。

另外，受光侧光学系统也可以具备配置于受光侧透镜的成像位置附近或后方的中继透镜和使从中继透镜传送来的大致平行光束向受光部聚光的聚光透镜。根据该结构，能够利用组合了两种透镜的简单的结构而使受光侧透镜的成像信息在受光部聚光。

另外，信息生成部也可以从到计测对象区域的距离信息和第一方向以及第二方向的各位置信息生成计测对象区域的三维信息，到计测对象区域的距离信息是根据从激光照射到被受光部接收为止的光往返时间取得的，第一方向以及第二方向的各位置信息是基于照射激光时的扫描器的送光控制角度取得的。根据该结构，由于不需要通过受光侧的视野扫描而取得接收信号的空间位置坐标，因此能够减轻用于生成三维信息的信号处理的负荷。

另外，也可以使上述激光雷达装置搭载于行驶体。根据该结构，能够始终取得行驶体的行走路径的三维信息，能够对行驶体进行驾驶辅助。

发明效果

根据本发明，由于具备使利用受光侧透镜接收到的反射光分别在第一方向以及第二方向上聚光的受光侧光学系统和接收利用受光侧光学系统聚光后的反射光并输出基于接受到的反射光所包含的激光的接收信号的受光部，因此能够使该受光部的受光元件小型化，并且能够将计测对象区域整体收入受光元件的传感器视野，能够以简单的结构实现受光侧的无扫描。

附图说明

图1是本实施方式的激光雷达装置的概略结构图。

图2是表示包括受光侧光学系统的周边结构的示意图。

图3－1是表示受光元件的变形例的图。

图3－2是表示受光元件的变形例的图。

图4－1是表示在线路上行驶的列车中搭载激光雷达装置的结构的立体图。

图4－2是表示在线路上行驶的列车中搭载激光雷达装置的结构的侧视图。

图5是表示车辆中搭载激光雷达装置的结构的立体图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行详细的说明。注意，并不是要利用该实施方式限定该发明。另外，在实施方式的构成要素中，包括本领域技术人员能够替换的简单的构成要素、或者实质上相同的构成要素。而且，以下所记载的构成要素能够适当组合。

图1是本实施方式的激光雷达装置的概略结构图。如图1所示，激光雷达装置1使激光l在事先设定的规定的计测对象区域a的水平方向(第一方向)x以及与该水平方向x正交的垂直方向(第二方向)y上一边扫描一边照射，接收该激光l的反射光r并生成计测对象区域a的三维信息。该激光雷达装置1例如搭载于在线路上行驶的列车等车辆(行驶体)的行进方向前方，生成在车辆的行进方向上设定的计测对象区域a的三维信息。由此，利用生成的三维信息，能够判定在车辆的行进方向上是否存在障碍物。

如图1所示，激光雷达装置1具有激光光源11、送光侧透镜12、扫描器13、受光侧透镜16、受光侧光学系统17、受光元件18、放大电路19、距离运算部20、信息生成部21、光源控制部30和扫描器控制部31。光源控制部30控制激光光源11的动作。扫描器控制部31控制扫描器13的动作。光源控制部30具有激光雷达装置1的主时钟，在激光l发出的同时向距离运算部20发送脉冲状的发光同步信号。

激光雷达装置1使激光l在计测对象区域a的水平方向x以及垂直方向y上一边扫描一边照射。计测对象区域a是设定在离激光雷达装置1规定距离的位置的区域。在激光雷达装置1例如搭载于列车等车辆的情况下，计测对象区域a根据车辆的行驶而随时更新。

激光光源11发出激光l。激光l例如使用200～2000nm的波长的激光。特别是，在室外的广阔空间使用激光雷达装置1的情况下，通过使用800～2000nm的波长的激光，能够实现稳定的计测。激光光源11例如由激光二极管等构成，基于光源控制部30的发光指令而以脉冲状发出激光l。送光侧透镜12由凸透镜单体、或由凸透镜和凹透镜的组合构成，使从激光光源11发出的激光l成形为点状(束状)。扫描器13使成形为点状的激光l在计测对象区域a的水平方向x以及垂直方向y上分别扫描。

扫描器13具有二维地扫描计测对象区域a的功能，具备使激光l在水平方向x上扫描的水平扫描部14和使激光l在垂直方向y上扫描的垂直扫描部15。水平扫描部14以及垂直扫描部15例如由电流扫描器(ガルバノスキャナ)构成，具备电流镜(ガルバノミラー)14a、15a和驱动马达14b、15b，电流镜14a、15a为平面镜，驱动马达14b、15b使电流镜14a、15a的镜面摆动。水平扫描部14在扫描器控制部31的控制下，使驱动马达14b驱动而使电流镜14a摆动。由此，由送光侧透镜12聚光后的激光l通过电流镜14a偏转水平方向的角度，在计测对象区域a的水平方向x上扫描。另外，垂直扫描部15在扫描器控制部31的控制下，使驱动马达15b驱动而使电流镜15a摆动。由此，使在电流镜14a上反射的激光l的垂直方向的角度改变，在计测对象区域a的垂直方向y上扫描。注意，在本实施方式中，作为水平扫描部14以及垂直扫描部15的一个例子，说明了使用电流扫描器的结构，但不限定于该结构，也可以使用例如具有多面镜的多面扫描器。

扫描器控制部31基于规定的扫描模式控制驱动马达14b、15b的动作。由此，点状的激光l按照扫描模式向计测对象区域a照射，该被照射的计测对象区域a内的点(区域)依次成为计测点s。该情况下，扫描器控制部31取得与各计测点s对应的电流镜14a、15a的镜角(送光控制角度)，并向信息生成部21发送该镜角。在本实施方式中，扫描器13一边扫描点状(束状)的激光l一边向计测对象区域a照射。因此，向计测对象区域a照射的激光l的照射能量密度增加，能够提高信号强度。由此，即使在激光l的透射率低的环境条件(例如有雾环境或有雨环境)下也能够确保计测性能。

另外，受光侧透镜16接收从计测对象区域a的各计测点s反射的反射光r。受光侧光学系统17使利用受光侧透镜16接收到的反射光r分别在水平方向x以及垂直方向y上聚光。

图2是表示包括受光侧光学系统的周边结构的示意图。如图2所示，在计测对象区域a的各计测点s处反射的反射光r分别被利用受光侧透镜16接收。该受光侧透镜16使各计测点s的像在受光侧透镜16的下游侧的规定位置处(成像位置)成像。

受光侧光学系统17具备配置于受光侧透镜16的成像位置的中继透镜35和配置于该中继透镜35的下游侧的聚光透镜36。在该图2中，采用了中继透镜35和聚光透镜36各具备一个的结构，但是当然也可以为组合多个各透镜的透镜单元。中继透镜35由凸透镜构成，是保持成像位置处的受光侧透镜16的成像信息并使其以后的光束大致平行化的透镜，具有向聚光透镜36原封不动地传送该成像信息的功能。另外，在本实施方式中，中继透镜35构成为配置于受光侧透镜16的成像位置，但不仅限于此，也可以配置于受光侧透镜16的成像位置附近或成像位置的后方。聚光透镜36由凸透镜构成，具有使从中继透镜35传送来的平行光束、即成像信息全部在水平方向x以及垂直方向y上朝向受光元件18聚光的功能。因此，受光侧光学系统17能够利用组合了两种透镜的简单的结构而使受光侧透镜16的成像信息在受光元件18的受光面18a聚光，能够实现受光侧的无扫描。受光元件18由接收反射光r并将其转换为电流的光电转换元件(例如，光电二极管)形成，由具有单一像素的单一元件形成。因此，能够响应短脉冲的激光l。

受光元件18接收利用受光侧光学系统17聚光后的反射光r，并输出基于接收到的反射光r所包含的激光l的接收信号。放大电路19将受光元件18输出的接收信号放大为电压信号。由于受光元件18输出的接收信号为微弱的电流信号，因此放大电路19将电流信号转换为电压信号并向距离运算部20输出。在本实施方式中，设置受光元件18和放大电路19来构成受光部。

距离运算部20基于利用放大电路19放大的接收信号，运算计测对象区域a的计测点s的距离信息。距离运算部20接收从光源控制部30发送的脉冲状的发光同步信号和从放大电路19发送的接收信号，运算到激光l照射的计测对象区域a的计测点s为止的距离，并向信息生成部21发送距离信息。具体地，距离运算部20基于发光同步信号和接收信号而计测从发出激光l到接收到反射光r为止的时间，并且基于该计测时间运算到反射激光l的计测点s为止的距离。另外，距离运算部20也可以将接收信号中包含的受光强度与距离信息建立关联，并与距离信息一起向信息生成部21发送。

信息生成部21基于该距离运算部20运算的距离信息以及计测点s的位置信息，生成计测对象区域a的三维信息。信息生成部21基于到计测点s的距离信息和该计测点s的水平方向x以及垂直方向y上的位置信息，取得计测点s的坐标信息，从存在于计测对象区域a中的多个计测点s的坐标信息分布，生成计测对象区域a的三维信息。信息生成部21取得与从扫描器控制部31发送的计测点s相关的电流镜14a、15a的镜角(送光控制角度)，并基于该镜角，运算该计测点s的水平方向x以及垂直方向y上的位置信息。在该结构中，由于不需要通过受光侧的视野扫描而取得接收信号的空间位置坐标，因此能够减轻用于生成三维信息的信号处理的负荷。利用信息生成部21生成的计测对象区域a的三维信息被以有线或无线方式向外部设备25(例如，车辆的电脑等)发送，并在该外部设备25中被利用。

本实施方式的激光雷达装置1的聚光透镜36使从中继透镜35传送来的受光侧透镜16的成像信息全部向由单一元件形成的受光元件18的受光面18a聚光。因此，来自计测对象区域a的任意的计测点s的反射光r均向受光元件18的受光面18a聚光，由此受光元件18能够始终将计测对象区域a整体收入传感器视野。因此，能够将来自计测对象区域a的反射光作为单一的信息进行处理。由此，不需要像以前那样排列配置多个受光元件并且对这些受光元件的接收信号进行加法运算的加法运算电路，能够实现电路结构的简单化。而且，在本实施方式中，由于利用由单一像素构成的单一元件形成受光元件18，因此能够实现受光元件18的小型化，进而能够实现激光雷达装置1的小型化。

例如，通过设置专利第5602225号公报所记载的使长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上以阵列状排列的长条受光元件阵列和对各长条受光元件的接收信号进行加法运算的加法运算电路，确保了广阔的二维视野并实现了受光侧的无扫描。但是，在现有技术中，由于使长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上以阵列状排列，因此有导致长条受光元件阵列大型化、从而违背激光雷达装置的小型化这一目的的风险。另外，有需要对以阵列状排列的各长条受光元件所接收的接收信号进行加法运算的加法运算电路、从而使装置结构变得烦杂的风险。相比之下，如上所述，激光雷达装置1通过设置受光侧光学系统17，使来自计测对象区域a的每个计测点s的反射光r均向受光元件18的受光面18a聚光，从而受光元件18能够始终将计测对象区域a整体收入传感器视野。因此，能够将来自计测对象区域a的反射光作为单一的信息进行处理，能够实现小型化。

在此，假想了使具有单一像素的受光元件18配置于受光侧透镜16的成像位置的结构。但是，在该结构中，由于受光元件18的受光面18a的面积与受光侧透镜16的成像位置处的成像信息的面积相比极小，因此只能使计测对象区域a的一部分收入传感器视野。另外，为了确保计测对象区域a整体的传感器视野，需要由具有与受光侧透镜16的成像位置处的成像信息同等以上的受光面的单一元件构成的受光元件，但是如果像素尺寸变大的话，就存在作为受光元件(光电二极管)的响应性下降的问题。

相比之下，在本实施方式中，由于受光侧光学系统17具备配置于受光侧透镜16的成像位置处的中继透镜35和配置于该中继透镜35的下游侧的聚光透镜36，且聚光透镜36使从中继透镜35传送来的受光侧透镜16的成像信息全部向由单一元件形成的受光元件18的受光面18a聚光，因此响应性不会下降，且能够与受光元件18的像素形状无关地覆盖受光侧透镜16所具有的整个视野的信息。因此，受光元件18也能够由长方形、正方形或圆形的单一元件的传感器构成，能够使受光元件的选择范围变广。

接下来，对受光元件的变形例进行说明。图3－1以及图3－2是表示受光元件的变形例的图。在上述的实施方式中，受光元件18构成为由具有单一像素的单一元件形成，但如图3－1所示，也可以使用例如使单一像素180a在规定方向(例如水平方向x)上相连而形成的线状受光元件(行传感器)180。在该结构中，即使在激光雷达装置1的运用中通过受光侧透镜16－中继透镜35－聚光透镜36向受光元件聚光的聚光位置偏离、或聚光尺寸从最适点偏离并扩大的情况下，也能够使线状受光元件180中的有反射光聚光的像素180a作为受光元件使用。由此，能够利用受光元件可靠地接收反射光，能够确保计测品质。另外，不仅可以使用线状受光元件(行传感器)180，如图3－2所示，还可以使用使多个(例如，两个)单一像素180a在水平方向x以及垂直方向y上分别相连而形成的受光元件群181。

接下来，对本实施方式的激光雷达装置1的应用例进行说明。图4－1是表示在线路上行驶的列车中搭载激光雷达装置的结构的立体图，图4－2是表示在线路上行驶的列车中搭载激光雷达装置的结构的侧视图。在该应用例中，激光雷达装置1搭载于列车(行驶体)100。列车100是在线路101上行驶的列车，可以构成为通过驾驶员的操纵而驾驶，也可以构成为通过电脑而自动驾驶。

激光雷达装置1设于列车100的前侧上部，监视该列车100的行进方向前方设定的计测对象区域a。该激光雷达装置1如上所述构成为不设置接收侧的扫描器，因此实现了激光雷达装置1的小型化。因此，搭载该激光雷达装置1的列车100能够将该激光雷达装置1的配置布局所引起的列车100内的自由空间的减少或向列车100外的突出部等的影响抑制在最小限度。

计测对象区域a，具体而言，被设定于从列车100到达规定距离d(例如300～500m)的、包含线路101的行进方向前方的行驶路面，该计测对象区域a根据列车100的行驶而随时更新。激光雷达装置1使激光l向该计测对象区域a一边扫描一边照射，并基于各计测点s的距离信息以及位置信息，生成计测对象区域a的三维信息。

列车100设置电脑和显示器作为外部设备25(图1)，其中，电脑取得从激光雷达装置1输出的计测对象区域a的三维信息，显示器显示该电脑基于三维信息而绘制的计测对象区域a的形状，对此省略了图示。这些电脑以及显示器配置于列车100的驾驶室。

在该结构中，激光雷达装置1生成的三维信息随时向列车100的电脑输出，并经由该电脑显示在显示器中。因此，即使例如在线路101上存在障碍物102的情况下，包括该障碍物102的计测对象区域a的形状也会在显示器中显示，因此能够实现对驾驶员的驾驶辅助。另外，也可以构成为：不仅在显示器中显示形状，在计测对象区域a向行进方向的形状变化超过了规定的阈值的情况下，认为存在障碍物102的可能性高而发出提醒警报。

另外，在列车100通过电脑而自动驾驶的结构中，在基于激光雷达装置1生成的三维信息，在线路101上存在障碍物102的情况下，能够通过使列车100停止而实现安全的自动驾驶。

图5是表示车辆中搭载激光雷达装置的结构的立体图。在该应用例中，激光雷达装置1搭载于车辆(行驶体)150。车辆150是在路面上自由行驶的车辆，可以构成为通过驾驶员的操纵而驾驶，也可以构成为通过电脑而自动驾驶。

激光雷达装置1设于车辆150的前侧上部，监视该车辆150的行进方向前方设定的地形200上的计测对象区域a。该激光雷达装置1如上所述构成为不设置接收侧的扫描器，因此实现了激光雷达装置1的小型化。因此，搭载该激光雷达装置1的车辆150能够将该激光雷达装置1的配置布局所引起的车辆150内的自由空间的减少或向车辆150外的突出部等的影响抑制在最小限度。

计测对象区域a，具体而言，被设定于从车辆150到达规定距离d(例如100m)的、处于行进方向前方的地形200的表面，该计测对象区域a根据车辆150的行驶而随时更新。激光雷达装置1使激光l向该计测对象区域a一边扫描一边照射，并基于各计测点s的距离信息以及位置信息，生成计测对象区域a(地形200)的三维信息。在该图5中，将地形200作为具备起伏大的顶部200a和起伏小的平坦部200b的地形进行说明。

车辆150设置对该车辆150进行路径引导的导航装置作为外部设备25(图1)，对此省略了图示。该导航装置具备控制整个导航装置的控制部和显示路径(地图信息)的显示器，计测对象区域a的三维信息向控制部输出。导航装置基于计测对象区域a的三维信息，设定避开起伏大的顶部200a并经过起伏小的平坦部200b的路径201。根据该结构，即使在起伏剧烈的地形200中行驶的情况下，也能够尽可能地在包含平坦部200b的路径201中行驶，从而能够实现对驾驶员的驾驶辅助。

另外，在车辆150通过电脑而自动驾驶的结构中，能够基于激光雷达装置1生成的三维信息，尽可能地在包含平坦部200b的路径201中行驶，由此能够实现安全的自动驾驶。

在上述应用例中，对激光雷达装置1搭载于列车100或车辆150的行驶体的结构进行了说明，但并不仅限于此，只要是进行自动行驶的行驶体即可。另外，在上述应用例中，激光雷达装置1搭载于行驶体，但例如也可以采用如下结构：配置为在设定计测对象区域a的交叉路口或道口等的旁边立设的支柱上俯瞰计测对象区域a，通过使激光l在水平方向x以及垂直方向y上一边扫描一边照射，并接收计测对象区域a内的物体(例如，行人、自行车、二轮机动车、汽车等移动物体或建筑物、护栏、树木等静止物体等)的反射光r，从而生成计测对象区域a的三维信息。

如以上说明，本实施方式的激光雷达装置1具备激光光源11、送光侧透镜12、扫描器13、受光侧透镜16、受光侧光学系统17、受光元件18和信息生成部21，其中，上述送光侧透镜12使从激光光源11发出的激光l成形为点状，上述扫描器13使成形为点状的激光l在计测对象区域a的水平方向x以及垂直方向y上一边扫描一边照射，上述受光侧透镜16接收从计测对象区域a反射的反射光r，上述受光侧光学系统17使利用受光侧透镜16接收到的反射光r分别在水平方向x以及垂直方向y上聚光，上述受光元件18接收利用受光侧光学系统17聚光后的反射光r，上述信息生成部21基于受光元件18输出的接收信号，生成计测对象区域a的三维信息，因此能够实现受光元件18的小型化，并且能够将计测对象区域a整体收入受光元件18的传感器视野，能够以简单的结构实现受光侧的无扫描。

另外，根据本实施方式，受光元件18构成为由具有单一像素的单一元件构成，因此能够将计测对象区域a整体收入单一元件的传感器视野。因此，不需要对受光元件18的接收信号进行加法运算的加法运算电路，能够实现电路结构的简单化。

另外，根据本实施方式，受光侧光学系统17具备中继透镜35和聚光透镜36，其中，上述中继透镜35配置于受光侧透镜16的成像位置，保持该成像位置处的成像信息不变地传送，上述聚光透镜36使从中继透镜35传送来的平行光束向受光元件18聚光，因此能够利用组合了两种透镜的简单的结构而使受光侧透镜16的成像信息在受光元件18的受光面18a聚光。

另外，根据本实施方式，信息生成部21从到计测对象区域a的计测点s的距离信息和计测点s的水平方向x以及垂直方向y的各位置信息生成计测对象区域a的三维信息，其中，到计测对象区域a的计测点s的距离信息是根据从激光l照射到被受光元件18接收为止的光往返时间取得的，计测点s的水平方向x以及垂直方向y的各位置信息是基于照射激光l时的扫描器13的镜角而取得的，因此不需要通过受光侧的视野扫描而取得接收信号的空间位置坐标，能够减轻用于生成三维信息的信号处理的负荷。

另外，由于上述激光雷达装置1搭载于列车100或车辆150，因此能够始终取得列车100或车辆150的行驶路径的三维信息，能够对列车100或车辆150进行驾驶辅助。

附图标记说明

1激光雷达装置

11激光光源

12送光侧透镜

13扫描器

14水平扫描部

15垂直扫描部

16受光侧透镜

17受光侧光学系统

18受光元件

18a受光面

21信息生成部

30光源控制部

31扫描器控制部

35中继透镜

36聚光透镜

100列车(行驶体)

150车辆(行驶体)

180线状受光元件

180a单一像素

181受光元件群

a计测对象区域

l激光

r反射光

s计测点

x水平方向(第一方向)

y垂直方向(第二方向)