专利名称：聚光透镜及三维距离测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚光透镜与三维距离测量装置的技术领域。具体地，本发明涉及包括 在视角的分割方向上并排设置的多个透镜的用于将激光会聚在光接收元件上从而确保光 接收元件接收到足量的光并减小光接收元件的光接收面积的聚光透镜的技术领域。
背景技术：
现有一些使用激光作为测量光来测量至待测目标的距离的距离测量装置。这种距离测量装置的实例包括这样一种装置，该装置调制激光并用经调制的激光 照射待测目标，以通过检测从激光源向待测目标发出的光和在被目标反射后入射到光接收 元件上的光之间的相位差来测量距离。其它实例包括以下的距离测量装置，该距离测量装置向待测目标发出激光脉冲， 以通过测量从激光源发出到在激光脉冲被待测目标反射后入射在光接收元件上的激光脉 冲的往返时间来测量距离。例如，上述距离测量装置可以被结合在工业机器人中从而测量机器人与设置在机 器人周围的待测目标的距离、被结合在汽车中从而测量汽车之间的距离等。距离测量装置 也可以被结合在游戏设备中，从而测量预定位置与作为待测目标的用户的距离。在某些距离测量装置中，在预定方向上转动光投射镜(lightprojecting mirror)，以用由光投射镜反射的激光线性扫描待测目标，从而测量二维距离(例如，见日 本专利第39082 号、日本专利第3875665号、和日本未审查专利申请公开第2009-162659 号)。在其它距离测量装置中，围绕与光投射镜的转动轴不同的转动轴来转动整个装 置，或者转动棱镜群从而扩展待测目标的扫描区，从而测量三维距离(例如，见日本专利第 4059911号和日本未审查专利申请公开第07-98379号)。在其它的距离测量装置中，使用电流镜(galvano mirror)或MEMS (微电子机械系 统)镜作为光投射镜通过激光重复执行扫描，从而测量二维或三维距离。
发明内容
在上述三维距离测量装置中，需要在一定视角范围内获取关于待测目标的距离信 肩、ο这种在一定视角范围内获取关于待测目标的距离信息的三维距离测量装置的实 例包括使用广角短焦透镜会聚整个视角范围的激光从而使激光入射在光接收元件上的装置。然而，即使使用广角短焦透镜，由于透镜的数值孔径受到限制，因此，图像的高度 很大程度上依赖于视角的大�。馐沟煤苣延行У亟饣峋墼诠饨邮赵�。因此，可以使用多个广角短焦距透镜以分担(cover)视角的各分割部分，从而各 透镜按照所用的透镜数目分担减小的视角部分。然而，因为广角短焦透镜具有很大的数值4孔径，所以很难提供为多个广角短焦透镜共用的光接收元件。另外，在上述三维距离测量装置中，为了测量关于正在运动的待测目标的距离信 息，特别需要精确快速地获取距离信息。为了精确快速地获取距离信息，需要在一定的视角范围内确保足量的由光接收元 件接收的光，并且为了提高扫描期间内的扫描频率并确保光接收元件的适当的频率特性， 需要减小光接收元件的光接收面积。考虑到上述情况，期望提供确保足量的由光接收元件接收到的光并减小光接收元 件的光接收面积的聚光透镜和三维距离测量装置。根据本发明的实施方式，提供了一种聚光透镜，其包括并排设置在视角的分割方 向上的多个透镜，以会聚与视角的各个分割部分相对应的范围内的入射光，所述视角在与 入射光的光轴正交的方向上被分割。在聚光透镜中，这些透镜将在相应于视角的各个分割部分的范围内的激光会聚在 光接收元件上。因此，可确保光接收元件接收到足量的光，并减小光接收元件的光接收面积。在上述聚光透镜中，期望多个透镜中的至少其中一个应相对于光轴以预定角度在 分割方向上被倾斜设置。通过多个透镜中的至少一个相对于光轴以预定角度在分割方向上被倾斜设置，可 使激光以距离测量所需的预定直径入射在光接收元件上。
这样可以提高在距离测量中的测量精度。在上述聚光透镜中，期望当透镜在分割方向上倾斜的预定角度被定义为θ ^时，应 满足下面的条件表达式(1)和O)(1)如果 η 为奇数，则 θ L = (N-I) X ( θ /n)，并且(2)如果 η 为偶数，则 θ L = (N-l/2) X ( θ /n)，其中N为参照光轴计数的透镜的编号，θ为分割方向上的视角，以及η为视角被分割的数目。通过满足条件表达式(1)和O)，优化了透镜的倾斜角θ ρ这样使聚光透镜在很宽的视角范围内会聚激光，从而确保光接收元件接收到足量 的光。在上述聚光透镜中，期望应该将透镜形成在分割方向上具有比在与光轴正交并与 分割方向正交的方向上更短的有效光学表面，并且当透镜在分割方向上的数值孔径被定义 为NAi时，应满足下面的条件表达式(8)(8)NAi ^ (l/2f) {(1/ (L+d)sin( θ/2n)-2dXtan( θ/2η)}其中f为透镜的焦距，L为后焦，以及d为透镜的轴向厚度。通过满足条件表达式(8)，光束在透镜的入射面侧不彼此重叠。这样允许适当的距离测量操作。
期望上述聚光透镜由多个透镜集成形成。通过由多个透镜集成形成聚光透镜，不需要分别制造多个透镜。因此，可以降低制造成本。根据本发明的实施方式，也可以提供用于使用测量光来测量至待测目标的距离的 三维距离测量装置，包括会聚被待测目标反射而被散射的激光的聚光透镜，其中，聚光透镜 包括并排设置在视角的分割方向上的多个透镜，以在相应于在与入射光的光轴正交的方向 上被分割的视角的各个部分的范围内会聚入射光。在该三维距离测量装置中，该透镜将在与视角的各个分割部分相对应的范围内的 激光会聚在光接收元件上。因此，可确保光接收元件接收到足量的光，并减小光接收元件的光接收面积。期望上述三维距离测量装置进一步包括至少一个激光光源，发射激光作为测量 光；光学元件，使从激光光源所发射的激光整形成大体平行光；光投射镜，能够在预定角度 范围内转动，并反射已经通过光学元件被整形成大体平行光的激光，从而通过激光扫描待 测目标；光接收元件，接收通过聚光透镜所会聚的激光；以及处理部，通过处理根据光接收 元件所接收的激光所生成的光接收信号来计算关于待测目标的距离信息。通过如上所述所构成的三维距离测量装置，可以以更高的精度测量至待测目标的 距离。在上述三维距离测量装置中，期望在聚光透镜的发射面的紧后形成光圈。通过在聚光透镜的发射面的紧后所形成的光圈，光束不会在邻近透镜的发射面侧彼此重叠。这样允许合适的距离测量操作。在上述三维距离测量装置中，期望光投射镜应该包括第一反射镜和第二反射镜， 第一反射镜和第二反射镜绕着彼此正交的各个轴可转动或旋转，两个中继透镜应设置在第 一反射镜与第二反射镜之间，从而使从光源所发射并通过第一反射镜被反射的激光入射在 第二反射镜上，两个中继透镜设置在共轭位置处，并且设置在第一反射镜侧的中继透镜的 焦距应该大于设置在第二反射镜侧的中继透镜的焦距。通过如上所述所设置的第一反射镜、第二反射镜及两个中继透镜，设置在第二反 射镜侧的中继透镜的聚光角大于设置在第一反射镜侧的中继透镜的聚光角。因此，对于待测目标的扫描角度相对于第一反射镜的转动角而增大。在上述三维距离测量装置中，期望光接收元件的光接收面应该形成为在分割方向 上比在与光轴正交并与分割方向正交的方向上更长。通过光接收元件的光接收面形成为在分割方向上比在与光轴正交并与分割方向 正交的方向上更长，视角的分割方向与光接收面的纵向方向彼此一致。这样允许充分的激光接收，并增加所接收的激光量。
图1是示出了根据本发明实施方式的三维距离测量装置的整体结构的平面图；图2是示出了从激光至第二反射镜的光路以及在光路中所设置的各种组件的侧 视图3是示出了聚光单元的放大透视图；图4是示出了三维距离测量装置的电路的框图；图5A是示出了在激光光源已经开始发射激光时第二反射镜的状态的概图；图5B是示出了在激光光源已经开始发射激光时多面体的状态的概图；图6A是示出了在激光光源开始发射激光后过去一定时间时第二反射镜的状态的 概图；图6B是示出了在激光光源开始发射激光后过去一定时间时多面体的状态的概 图；图7是示出了透镜的放大透视图；图8是示出了透镜的放大正视图；图9是示出了透镜会聚激光的状态的放大平面图；图10是示出透镜所分担的视角的概图；图11是示出了光束(luminous flux)在透镜的发射面(emissionsurface)侧彼 此重叠的状态的概图；图12是示出了在透镜的发射面侧的光束之间的重叠已经被消除的状态的概图；图13是示出了光束在透镜的发射面侧彼此重叠的状态的概图；图14是示出了如何消除在透镜的入射面侧的光束之间的重叠的概图；图15是示出了在透镜的入射面侧的光束之间的重叠已经被消除的状态的概念 图；以及图16是示出了具有电流镜的示例性三维距离测量装置的透视图。
具体实施例方式下面，将参照附图描述本发明的实施方式。[三维距离测量装置的整体结构]下面，将描述三维距离测量装置的整体结构。<第一实施方式>首先，将参照图1 图3来描述根据第一实施方式的三维距离测量装置1。三维距离测量装置1包括激光光源2、光学元件3、光投射镜4、中继透镜5、5、聚光 单元6以及光接收元件7 (见图1 图3)。例如，激光光源2可以为激光二极管。激光光源2可以根据半导体的组成元件振 荡产生(oscillate)具有各种波长的激光。可以设置多个激光光源2。例如，光学元件3可以为准直透镜。光学元件3具有将入射激光整形为大体平行 光从而发射大体平行光的功能。光投射镜4包括第一反射镜8和第二反射镜9。例如，第一反射镜8可以为MEMS镜。例如，第一反射镜8可绕着在水平方向上延 伸的轴转动。例如，第二反射镜9可以为多角镜(polygon mirror)。第二反射镜9可绕着在垂 直方向上延伸的轴旋转。第二反射镜9具有在垂直方向上厚度很薄的正八边形形状。第二 反射镜9的外周表面被分别形成为面向水平方向的八个反射面9a、9a、...。
中继透镜5、5均为双凸透镜，并以隔开的关系被设置在第一反射镜8与第二反射 镜9之间。中继透镜5、5被设置在共轭位置。设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的焦距 比设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的焦距长，例如，焦距比为2 1。因此，如图2所 示，如果将设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的焦距定义为F，则中继透镜5、5之间的距 离为3F，第一反射镜8与设置在第一反射镜8侧的中继透镜5之间的距离为2F，并且第二 反射镜9与设置在第二反射镜9侧的中继透镜5之间的距离为F。因此，如果设置在第一反 射镜8侧的中继透镜5的聚光角被定义为α，而设置在第二反射镜9的中继透镜5的聚光 角被定义为β，则建立了 α < β的关系。如图1和图3所示，聚光单元6包括以多角柱体的形状形成的多面体10，以及分别 附加至多面体10的外周表面10a、10a、...的聚光透镜11、11、...。多面体10的外周表面10a、10a、...被以彼此相同的尺寸和形状来形成，并被配置 为面向水平方向。例如，聚光透镜11被分别设置在多面体10的外周表面IOa上除了外周表面IOa 的外围部分之外的部分。例如，光接收元件7以在垂直方向上被拉长的板形形状形成，并被固定在聚光单 元6的旋转中心的位置处。因此，聚光单元6绕着光接收元件7旋转。在面向水平方向的 光接收元件7的一个表面上形成光接收面7a。在如上所述所构成的三维距离测量装置1中，如图1和图2所示，当激光光源2发 射激光(例如，具有约785nm波长的红外光)时，通过光学元件3将所发射的激光形成大体 平行光，从而入射在光投射镜4的第一反射镜8上。激光被第一反射镜8反射至第二反射 镜9。在这种情况下，第一反射镜8在预定角度范围内绕着在水平方向上延伸的轴转动。由第一反射镜8反射的激光穿过中继透镜5、5，并被顺序会聚而入射在第二反射 镜9的反射面9a、9a、...上。在这种情况下，第二反射镜9在水平方向上旋转，因此，激光在 一定角度范围内被反射面9a、9a、...反射，被投射至待测目标100，从而扫描待测目标100。投射至待测目标100的激光被待测目标100反射，并形成顺序入射在聚光单元6 的聚光透镜11、11、...上的散射光(diffusion light)，从而。由于聚光单元6在水平方 向上旋转，所以入射在聚光透镜11、11、...上的激光被聚光透镜11、11、...顺序会聚，从而 入射在光接收元件7上。可以在待测目标100与聚光单元6之间设置光接收镜，在这种情况下，由待测目标 100反射的激光被光接收镜反射，从而入射在聚光透镜11、11、...上。基于入射在光接收元件7上的激光来生成光接收信号。所生成的光接收信号被处 理部处理(将在随后描述)，从而计算用于距离测量的关于待测目标100的距离信息。例如，可以通过计算被待测目标100反射而入射在光接收元件7上之后所检测的 脉冲波相对于发出激光作为脉冲时产生的脉冲波的时间差来执行关于待测目标100的距 离测量。[三维距离测量装置的电路]接下来，将参照图4来描述三维距离测量装置1的电路。下面所描述的电路相应 于上述三维距离测量装置的实例，其使用所谓的飞行时间技术，其中，通过计算激光的往返 时间(即，激光脉冲发射和接收之间的时间差)来计算距离。
激光光源2被光源驱动器12驱动以发射激光(激光脉冲)作为测量光。基于由 光源驱动器12所设定的光源驱动电流来控制从激光光源2所发射的激光的输出。发射的激光的一部分入射在设置于激光光源2附近的监控光接收元件13上。根 据基于入射在监控光接收元件13上的激光所生成的观测电压，通过输出调节部14来控制 通过光源驱动器12所设定的光源驱动电流的值。定时生成�？�(timing generating block) 15通过将用于通过激光扫描的驱动定 时信号传送至驱动光投射镜4和聚光单元6的驱动电路16，并将与驱动定时信号同步的发 光指令脉冲传送至光源驱动器12来控制脉冲发射定时。发光指令脉冲也被传送至时差测量模块17，作为测量激光往返时间的参考信号。定时生成�？�15也生成用于观测(用于调节激光输出的)监控光接收元件13的 电压的定时信号，并将关于光投射镜4和聚光单元6的定时信息(或者相位信息)传送至 CPU(中央处理器)18。光接收元件7接收被待测目标100反射并被聚光单元6会聚的激光。光接收元件 7生成通常与入射激光量成比例的电流脉冲。所生成的电流脉冲被I/V转换器电路19转换 成光接收电压(光接收信号)，并被传递至放大器�？�20。放大器�？�20放大经由通过I/V转换器电路19所执行的转换而获取的光接收电 压，并将放大的光接收电压传送至上升检测�？�21。例如，因为光接收电压具有很宽的动态 范围，所以放大器�？�20包括用于信号电平调节的可变增益放大器。例如，上升检测�？�21包括比较器，并将输入的模拟脉冲转换成数字光接收脉冲 (二进制信号)，从而将数字光接收脉冲传送至时差测量�？�17。时差测量�？�17测量发光指令脉冲与光接收脉冲之间的时差，从而计算从激光 光源2所发射的激光的往返时间。距离转换器�？�22将通过时差测量块17所计算的往返时间(时间信息)转换成 距离信息，从而将距离信息传送至CPU 18。通过转换所获取的距离信息被CPU 18处理，并 被输出至外部设备。上述放大器�？�20、上升检测模块21、时差测量�？�17以及距离转换器�？�22 用作处理部，其处理基于入射在光接收元件7上的激光所生成的光接收电压(光接收信 号)，从而计算关于待测目标100的距离信息。[中继透镜和光投射镜的特定结构]在三维距离测量装置1中，如上所述，中继透镜5、5以隔开的关系被设置第一反射 镜8与第二反射镜9之间，并且被设置在共轭位置处(见图幻。通过设置在这样的位置处 的中继透镜5、5，第一反射镜8的反射面和第二反射镜9的反射面9a在位置上与中继透镜 5、5的各个焦点一致，并且设置在第一反射镜8侧的中继透镜5的焦距QF)比设置在第二 反射镜9侧的中继透镜5的焦距(F)长。因此，用于待测目标100的扫描角度相对于第一反射镜8的转动角增大。同时，设置在第二反射镜9侧的中继透镜5的聚光角β大于设置在第一反射镜8 侧的中继透镜5的聚光角α，这导致很高的激光缩小率(reduction ratio) 0这允许第二 反射镜9的厚度可以因尺寸的减小而减小。[第二反射镜与多面体之间的关系]9
接下来，将描述使用了多角镜的第二反射镜9与聚光单元6的多面体10之间的关 系。在三维距离测量装置1中，以正八边形(regular octagon)形状形成用作反射激 光的装置的第二反射镜9，而用作透射激光的装置的多面体10被形成为具有正方形外部形 状。即，第二反射镜9和多面体10被分别形成具有2M个面的正多面体(regular polygon) 和具有M个面的规则多面体(M为大于等于3的整数)。通过仅考虑激光的主光线而不考虑直径，对于具有正八边形的第二反射镜9的一 个反射面9a，可以在2X (360° /8)=90°的扫描角度范围内扫描待测目标100。同时，对 于具有正方形外部形状的多面体10的一个外周面10a，可以在360° /4 = 90°的扫描角度 范围内接收扫描了待测目标100的激光。因此，在用作反射装置的第二反射镜9和用作透射装置的多面体10被分别形成具 有2M个面的正多面体和具有M个面的正多面体的情况下，激光在90°的扫描角度范围内 (允许有效的距离测量)被投射至一个反射面9a，或者入射在一个外周面IOa上。[第二反射镜和多面体的旋转速度]接下来，将参照图5A、图5B、图6A以及图6B来描述使用了多角镜的第二反射镜9 和聚光单元6的多面体10的旋转速度。图5A和图5B示出了在激光光源2已经开始发射激光时的状态，即，在t = 0时的 状态，其中，t表示激光发射后已经逝去的时间。例如，在t = 0时，激光被第二反射镜9的 反射面9a反射成与入射方向正交的方向。此时，第二反射镜9上的激光在水平方向上的光 投射角、被确定为、=0(见图5幻。因此，第二反射镜9的旋转角θ 被确定为θ =0。此外，在t = 0时，入射在多面体10上的激光在水平方向上的光接收角￥2被确定为 “ =0(见图邪)。此时，多面体10的旋转角θ M被确定为ΘΜ = 0。当第二反射镜9的角速度被定义为ω时，第二反射镜9从t = 0至t =、时(此 时，一定时间、已经逝去)旋转的旋转角θ 被定义为Qai= ω、。由于通过被反射的激 光扫描待测目标100，所以第二反射镜9上的激光的光投射角、为旋转角θ 的两倍，被 表示为 Y1 = 2 Qai = 2ω、(见图 6A)。同时，当多面体10的角速度也以与第二反射镜9的角速度相同的方式被定义为ω 时，多面体10从t = o至t =、时(此时，一定时间、已经逝去)旋转的旋转角θ M被定 义为ΘΜ= Qt00由于多面体10透射了激光，所以来自待测目标100的入射在多面体10上 的激光的光接收角￥2被表示为Y2= ΘΜ= ω、。因此，在从t = 0至t =、的相同时间内，光投射角Y1变为光接收角￥2的两倍， 结果，光投射角Y1和光接收角Y2彼此不一致。因此，在三维距离测量装置1中，第二反射镜9与多面体10的各个角速度的比被 设定为1 2，使得在第二反射镜9处的激光的光投射角Y工和多面体10的激光的光接收 角Y2彼此一致。因此，当第二反射镜9的角速度被定义为ω时，多面体10的角速度被确 定为2ω，并且在从t = 0至t = t(1的时间段内入射在多面体10上的激光的光接收角Y2 被表示为Y2 = ΘΜ= 2ω、，其与Y1—致(见图6Β)。这样，在三维距离测量装置1中，在第二反射镜9处的激光的光投射角Y ！和用于 多面体10的激光的光接收角Y2彼此一致，这允许有效的距离测量。
[聚光单元的特定结构]作为多个透镜23、23、...的组装(例如，6个透镜23、23、...的组装)来形成聚 光单元6的聚光透镜11 (见图3、图7以及图8)。通过切割由图8中的虚线所表示的直径的同心非球面透镜R的上部和下部使得上 下表面均为平面，来以水平长的形状形成作为所谓的I-切割透镜的透镜23。图8中的点划 线所表示的圆S具有在透镜为圆形的情况下会聚用于正确距离测量的光量所需的透镜直 径。透镜23的入射面23a的面积被设定为等于圆S的面积。在三维距离测量装置1中，如上所述，光投射角Y1和光接收角Y2在水平方向上 彼此一致。因此，在会聚激光的过程中不产生视角分量。因此，如图9所示，激光被透镜23 适当地会聚以入射在光接收元件7上。同时，在垂直方向上，第一反射镜8绕着在水平方向上延伸的轴转动，使得激光在 预定角度范围内被反射。因此，需要聚光透镜11在相应于预定角度范围的很宽的视角范围 内会聚激光。通常，如果试图使用单个透镜在这样的宽视角范围内会聚激光，则光接收元件上 的图像高度可能会非常大，这样不允许使用具有高频率特性的光接收元件。因此，可以使用 在垂直方向上并排设置的多个透镜，使得每个透镜分担视角的分割部分，这样降低了光接 收元件上的图像高度，从而允许使用具有高频率特性的光接收元件。然而，如果透镜在垂直方向上的数值孔径很大，则在多个透镜之间不能共用光接 收元件，结果，每个透镜都需要光接收元件。因此，在三维距离测量装置1中，通过每个都被形成作为具有平面状上下表面的 I-切割透镜的多个透镜23、23、...来形成聚光透镜11。透镜23、23、...被如下所述地设 置，这样减小了光接收元件7上的图像高度，从而允许使用具有高频率特性和小的光接收 表面的光接收元件7。在聚光透镜11中，在垂直于入射的激光的光轴方向的垂直方向上堆叠设置透镜 23,23,...，并且每个透镜23、23、...相对于水平方向倾斜预定角度(见图10)。透镜23、 23、...被形成为具有彼此相同的形状和尺寸，并以使其上下部彼此重叠的方式堆叠。因此， 透镜23、23、...的形状被改变，从而形成聚光透镜。但是，在图10至图15中，为了便于描 述，透镜23以彼此重叠的方式被示出。通过如上所述由多个透镜23、23、...所形成的聚光透镜11，视角θ v在分割方向 上(即，垂直方向上)被分割成η个部分(η为大于等于2的整数)，数η为透镜23、23、...的 数目。在三维距离测量装置1中，例如，数11被确定为11 = 6，并且6个透镜23、23、...分 担在垂直方向上被分割的视角θ的各个部分，使得每个透镜23、23、...分担减小的视角部 分(reduced portion)。然而，需要注意，透镜23、23、...的数目不限于6，可以为任意的大于一的数值 (plural value)。由一个透镜23所分担的视角为θ ν/η。当透镜23、23、...的每一个相对于水平方 向(光轴的方向)倾斜的角度被定义为倾角θ ^时，通过下面的条件表达式(1)和(2)表 示倾角θ ^(1)如果 η 为奇数，则 θι= (N-I) X ( θ v/n)，并且
(2)如果 η 为偶数，则 θ L = (N-l/2) X ( θ ν/η)其中N为参照光轴所计数的透镜编号，θ ν为垂直方向上的视角，以及η为视角的分割数。θ ν相当于根据实施方式的条件表达式⑴和⑵中的θ。在η = 6的聚光透镜11的情况下，适用于条件表达式O)，例如，使θ v = 48°。当透镜23、23、...如图10所示从上侧开始被顺序定义为透镜23A、23B.....23F时，对于透镜 23A、23F，9L = 20°，对于透镜 23Β、23Ε，θ l = 12°，对于透镜 23C、23D，θ L =4°。因此，透镜23A、2!3B、23C分别相对于水平方向向上倾斜20°、12°、4°角，而透镜 23F、23E、23D分别相对于水平方向向下倾斜20°、12°、4°角，从而形成聚光透镜11。这些透镜23A至23F分担θ v = 48°的视角的相等部分，或每8° (士4° )的视通过如上所述相对于水平方向倾斜的透镜23、23、...，聚光透镜11可在很宽的视 角范围内会聚激光。透镜23、23、...相对于水平方向倾斜以满足条件表达式(1)和(2)。因此，优化 了透镜23、23、...的倾角这允许聚光透镜11在很宽的视角范围内会聚激光，从而确保 光接收元件7接收到足量的光。接下来，将描述具有一视角的激光的光束的图像高度，以及光接收元件7在透镜 23、23、...之间的共同使用。在垂直方向上，如上所述提供视角θ ν，因此，在光接收元件7上生成通过下面条件 表达式⑶所表示的图像高度y (3)y = fXtan( θ ν/2η)其中，f为透镜的焦距。与用单个透镜会聚具有视角的激光的光束的情况相比，通过使用多个透镜23、 23,...分担视角的各个分割部分而减小了图像高度。透镜23、23、...均被形成为具有平面状上下表面的1_切割透镜。因此，与将多个 普通的圆形透镜用于分担视角的各个分割部分的情况相比，透镜23、23、...在垂直方向上 的数值孔径NAv很小。通过下面的条件表达式(4)来表示透镜23、23、...在垂直方向上的 数值孔径NAv:(4) NAv = sin( θ ν/2η)因此，透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NAv可以被设定为小于等于条件 表达式的值。由于透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NAv很�。钥梢栽谕� 镜23、23、· · ·之间共用光接收元件7。如上所述，透镜23、23、...分担视角θ ν的各个分割部分，并且需要入射在分割方 向(垂直方向)上相邻的透镜23、23上的激光的光束在内部彼此不重叠。因此，需要光束 在垂直方向上相邻的透镜23、23的入射面23a、23a和发射面2北、2北上都不彼此重叠。首先，将参照图11和图12来描述防止激光的光束间重叠的光圈。光圈指的是对 应于透过激光的开口以使激光的光束入射在光接收元件7的光接收面7a上而形成在光路中的光学光圈，并不特别地等价于机械光圈或光圈组件。为了便于描述，下面将仅对在垂直方向上相邻的两个透镜23、23进行防止激光光 束之间重叠的光圈的描述。在图11和图12中，示出了从由上透镜23分担的视角中最高位置入射在上透镜23 上的光束及从由下透镜23分担的视角中最低位置入射在下透镜23上的光束。例如，在透镜23、23的入射面23a、23a紧前形成缩窄激光的光束的光圈的情况下， 在发射面2北、2北侧视角为士 θ v/2n的激光在垂直方向上显著偏离，并且光束倾向于在发 射面23b,23b侧彼此重叠(见图11)。因此，为了光束不在相邻透镜23、23的发射面2北、2北侧彼此重叠，需要极度减小 垂直方向上的数值孔径NAv。因此，为了光束不在相邻透镜23、23的发射面2北、2北侧彼此重叠，期望在发射面 23b,23b紧后形成光圈(见图12)。接下来，将参照图13至图15描述防止在入射面23a、23a侧的激光的光束之间重 叠的数值孔径的值。在图13和图15中，示出了从由上透镜23分担的视角中最低位置入射在上透镜23 上的光束及从由下透镜23分担的视角中最高位置入射在下透镜23上的光束。在如上所述在发射面2北、2北紧后形成光圈的情况下，激光在入射面23a、23a侧 在垂直方向上显著偏离。因此，如果通过仅考虑发射面2北、2北侧所确定的数值孔径来设 计透镜23、23，则如图13所示，光束可能会在入射面23a、23a侧彼此重叠。因此，下面将参照图14来描述光束在入射面23a、23a上不彼此重叠的条件。当在垂直方向上透镜23、23的入射面23a、23a之间的中心间距离被定义为D时， 通过下面的条件表达式( 来表示中心间距离D (5) D = 2(L+d)sin( θ ν/2η)其中L为后焦距，并且d为透镜的轴向厚度。当视角为士 θν/2η的激光的光束中的主光线在入射面23a、23a上的移动量被定 义为Y时，通过下面的条件表达式(6)来表示移动量Y:(6)Y = dxtan( θ ν/2η)如果激光的光束的直径被定义为Φ，则通过下面的条件表达式(7)来表示光束在 入射面23a、23a侧彼此不重叠的直径Φ的条件(7) 2 (Y+ Φ /2) ^D因此，通过下面的条件表达式(8)来表示光束在入射面23a、23a侧彼此不重叠的 数值孔径NAv的条件(8) NAv 彡(l/2f) {(1/2) (L+d) sin ( θ ν/2η) -2dX tan ( θ ν/2η)}NAv相当于根据实施方式的条件表达式(8)中的NAi,并且θν相当于根据实施方 式的条件表达式⑶中的θ。当对于透镜23、23、...，数值孔径NAji足条件表达式(8)时，光束在入射面23a、 23a侧彼此不重叠(见图15)。13
在三维距离测量装置1中，在透镜23、23、...的发射面23b、23b、...紧后形成光 圈，并且透镜23、23、...的垂直方向上的数值孔径NAji足条件表达式(8)。因此，在三维距离测量装置1中，入射在垂直方向上彼此相邻的透镜23、23、...上 的激光的光束内部彼此不重叠，这允许三维距离测量装置1的合适的距离测量操作。例如，如上所述所构成的聚光透镜11被作为透镜23、23、...的组装体而集成形 成。通过以这种方式集成形成的聚光透镜11，能够降低制造成本。例如，透镜23被形成为由树脂材料构成的非球面透镜，并且具有关于光轴来说轴 对称的非球面。以通过将表1中的值代入下面的方程式所获取的形状来形成透镜23。在该 方程式中，r为在与光轴正交的方向上与光轴的距离，Z(r)为在与光轴距离为r处的表面形 状，K为二次曲线常数，c为曲率半径，并且A2i为非球面系数。[方程式1]
权利要求
1.一种聚光透镜，包括多个透镜，并排设置在视角的分割方向上以会聚与所述视角的各个分割部分相对应的 范围内的入射光，所述视角在与所述入射光的光轴正交的方向上被分割。
2.根据权利要求1所述的聚光透镜，其中，所述多个透镜中的至少一个以相对所述光轴的预定角度被倾斜设置在所述分割 方向上。
3.根据权利要求2所述的聚光透镜，其中，当所述透镜在所述分割方向上倾斜的所述预定角度被定义为θ L时，满足下面的 条件表达式(1)和⑵(1)如果η为奇数，则θL = (N-I) X ( θ /n)，并且(2)如果η 为偶数，则 θ L = (N-l/2) X ( θ /n) 其中N为参照所述光轴计数的透镜的编号， θ为在所述分割方向上的视角，以及 η为所述视角被分割的数目。
4.根据权利要求1所述的聚光透镜，其中，所述透镜被形成为具有在所述分割方向上比在与所述光轴正交并与所述分割方 向正交的方向上短的有效光学表面，以及当所述透镜在所述分割方向上的数值孔径被定义为NAi时，满足下面的条件表达式⑶(8) NAi ( (l/2f) {(1/2) (L+d)sin( θ /2η) -2dX tan ( θ /2η)} 其中f为所述透镜的焦距， L为后焦，以及 d为所述透镜的轴向厚度。
5.根据权利要求1所述的聚光透镜，其通过所述多个透镜集成形成。
6.一种三维距离测量装置，用于使用测量光来测量至待测目标的距离，包括 聚光透镜，会聚被所述待测目标反射而被散射的激光，其中，所述聚光透镜包括并排设置在在视角的分割方向上的多个透镜，以会聚与所述 视角的各个分割部分相对应的范围内的入射光，所述视角在与所述入射光的光轴正交的方 向上被分割。
7.根据权利要求6所述的三维距离测量装置，进一步包括 至少一个激光光源，发射激光作为所述测量光；光学元件，将从所述激光光源发射的所述激光整形为大体平行光； 光投射镜，能够在预定角度范围内转动，并反射已经通过所述光学元件被整形为大体 平行光的所述激光，从而用所述激光扫描所述待测目标； 光接收元件，接收通过所述聚光透镜会聚的激光；以及处理部，通过处理基于由所述光接收元件接收的激光所生成的光接收信号来计算关于 所述待测目标的距离信息。
8.根据权利要求6所述的三维距离测量装置， 其中，光圈在所述聚光透镜的发射面紧后形成。
9.根据权利要求7所述的三维距离测量装置，其中，所述光投射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射 镜能够绕着彼此正交的各个轴转动或旋转，两个中继透镜设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，从而使从所述光源发射 并被所述第一反射镜反射的光入射在所述第二反射镜上，所述两个中继透镜被设置在共轭 位置处，以及设置在所述第一反射镜侧的所述中继透镜的焦距大于设置在所述第二反射镜侧的所 述中继透镜的焦距。
10.根据权利要求7所述的三维距离测量装置，其中，所述光接收元件的光接收表面被形成为在所述分割方向上比在与所述光轴正交 并与所述分割方向正交的方向上更长。
全文摘要
本发明涉及聚光透镜及三维距离测量装置，聚光透镜包括并排设置在视角分割方向上的多个透镜，以会聚相应于所述视角的各个分割部分的范围内的入射光。所述视角在与所述入射光的光轴正交的方向上被分割。
文档编号G01C3/32GK102053289SQ20101053021
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月2日 优先权日2009年11月9日
发明者游马嘉人, 金田一贤 申请人:索尼公司
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