[发明专利]光学装置，使用光学装置的距离传感器和移动体

说明书

本发明的课题在于，一种光学装置,包括光源，其具有多个发射激光束的面发光激光元件；扫描光源发射的激光束的扫描仪；以及光学系统，其设置在光源和扫描仪之间的光路中并引导激光束到扫描仪。光学系统包括第一光学元件，控制光源发射的激光束的发散角，以及第二光学元件，聚光已经通过第一光学元件去往扫描仪待扫描表面的激光束。

技术领域

本专利公布的实施例涉及一种使得激光束扫描的光学装置，一种具有该光学装置的距离传感器，以及一种移动体。

背景技术

在移动体(如车辆、船舶和飞机)的运作中，使用了探测物体在广角范围中的位置的技术。作为此类感测技术的一个示例，光探测和测距(LiDAR)在该技术领域是著名的。LiDAR是基于光的遥感技术，使用飞行时间(TOF)方法，根据从激光束源发射的激光束被一个物体反射，然后返回到传感器的时间长度来测量与物体的距离。激光束由如微机电系统(MEMS)反射镜和光学多棱镜的扫描仪驱动以广角扫描。如在该技术领域所共知，发射与基板平行的激光束的边缘发射半导体激光器被用作LiDAR的激光束源。由于难以集成这种边缘发光的半导体激光器，因此正在研究使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)装置作为光源，因为VCSEL装置可以很容易地将多个发光元件集成到同一基板中。VCSEL装置以垂直于基板的方向发射激光。从多个光发射点发射的激光束聚焦在使用VCSEL阵列的可移动反射镜表面，并由可移动反射镜进行光学扫描的一种配置在该技术领域是著名的。(例如，参见专利文献1)。

引文列表

专利文献

【专利文献1】日本专利申请公开第2010-151958号

发明内容

技术问题

在已知的光学扫描仪中，当VCSEL装置发射的光被光学元件，比如聚焦透镜，直接聚焦在可移动的反射镜上时，激光束被扫描。因为每个光发射元件的输出功率较小，VCSEL装置的输出功率通过光发射元件的二维集成得以增加。

在LiDAR装置中，从激光束源发射的激光束需要在高的角度分辨率下被扫描，以达到足够的测量分辨率和可测量的距离。扫描激光束的角度分辨率dθ，使用激光束源的光发射区域的大小a和将激光束聚集到可移动反射镜上的聚焦透镜的焦距f，以dθ＝2×tan－1[(a/2)/f]表示。

为了增强角度分辨率(或减小dθ)，VCSEL的光发射区域大小a需要减小，或者聚焦透镜的焦距f需要加长。实际上，光发射区域大小a可以减小的程度有一个限制，其结果是聚焦透镜的焦距需要做得更长。

被透镜聚光的激光束的光束腰直径W由下面给出的公式使用激光束的发散角和透镜的焦距f计算。

如果为了达到高的角度分辨率而加长了透镜的焦距f，则束腰直径W变得更宽，由此需要具有较大镜面尺寸的可移动反射镜。但是，希望将LiDAR系统中的可移动反射镜的尺寸缩小。因为MEMS微机电系统反射镜的镜面尺寸较小时，可以做到高速和大范围扫描。较小的多棱镜能够进行高速扫描，并使系统更加紧凑。

执行高速大范围扫描的LiDAR装置需要具有高的角度分辨率的激光束。但是，当焦距长时，光束直径不能减小。如果为了增加角度分辨率的目的而加长焦距的激光束聚焦在尺寸缩小的可移动反射镜上，因为光束直径大于可移动反射镜的尺寸，一部分光不能入射到可移动的反射镜上。在这种情况下，光学扫描用的光辐射强度降低，可探测的距离缩短。

本发明公开的实施例旨在实现具有高的角度分辨率的高速宽量程光学扫描，而不影响探测距离。

解决问题的方案

为了解决上述技术问题，在VCSEL装置的每个光发射元件的光路中设置光学元件，控制发散角，减小VCSEL装置发射的激光束的发散角。由于这种配置，激光束以较小的光束腰径聚焦到可移动反射镜上，可以达到足够的入射光辐射强度。