CN101435870B - 测量目标方位和距离的激光雷达设备 - Google Patents

Abstract

提供一种激光雷达设备，包括：激光束产生装置、光检测装置、反射镜组件、光偏转装置以及旋转驱动装置。激光束产生装置发射具有轴的激光束。光检测装置检测由目标反射回来的反射激光束。反射镜组件包括透射激光束的通孔和将目标反射回来的反射激光束向光检测装置反射的反射表面。光偏转装置具有平坦反射镜表面和凹面形反射镜表面，并且将激光束向测量范围反射，将来自目标的反射激光束向反射镜组件偏转。旋转驱动装置旋转光偏转装置，从而将激光束向测量范围引导。

Description

测量目标方位和距离的激光雷达设备

技术领域

本发明涉及能够用激光束测量目标的方位以及从该设备到目标的距离的一种激光雷达设备。

背景技术

作为能够测量从设备到目标的距离和目标方位的激光雷达设备，已经有象Hoashi等的第2789741号日本专利中公开的已知设备。

Hoashi等的激光雷达设备包括：激光束产生装置，用于将作为输出光的激光束或激光脉冲发射到测量范围，所述输出光具有光轴；光检测装置，用于检测输出光从测量范围中的目标反射回来以后到达，作为输入光的反射回来的激光束或反射回来的激光脉冲；光隔离器，它容许输出光透过而禁止输入光透射；以及电控制单元(ECU)。上述激光束产生装置是例如激光二极管，它产生包括激光束或激光脉冲的激光发射。光检测装置是例如光电二极管，它将入射激光束或入射激光脉冲转换为作为入射激光束或入射激光脉冲函数的电流。光隔离器反射输入光，而经过光隔离器的输入光将被引导到光检测装置。为了实现这些功能，光隔离器最好位于输出光的光轴上。电控制单元(ECU)基于输出和输入激光束的相位差，或者基于激光脉冲的发射和接收之间经历的时间并利用光速，计算从设备到目标的距离，如果存在目标的话。此外，Hoashi等的激光雷达设备包括凹面反射镜，它将输出光向测量范围偏转，并且将目标反射回来的输入光向光检测装置偏转。此外，还将凹面反射镜设置为绕轴旋转多达360度，从而在水平方向上的角扫描范围能够达到360度。应当注意，在Hoashi等的光学激光设备中，投影光学系统包括激光束产生装置、光隔离器和凹面反射镜，光检测系统包括所述凹面反射镜和光隔离器。投影光学系统和光检测装置部分地同轴。更详细地说，光隔离器和目标之间的输出光和输入光的轴相同。

如上所述，在Hoashi等的激光雷达设备或相似类型的激光雷达设备中，输出光和输入光的轴相同并且光隔离器设置在输出光和输入光的公共轴上。虽然由目标反射回来的输入光被光隔离器反射，但是由激光束产生装置发射的输出光会透过光隔离器。通常，在激光束分别透过光隔离器和由光隔离器反射时，会引起激光束或激光脉冲衰减。因此，在激光束或激光脉冲透过光隔离器和由光隔离器反射时，产生很大的光束分裂效率损耗。这个问题要求激光雷达设备的一些元件具有特殊配置，例如，具有更大反射镜板以扩大有效光接收面积的更大的反射镜，由此来提高光束分裂效率。这样做与设备的小型化趋势相冲突。

此外，如同Hoashi等的激光雷达设备或相似类型的激光雷达设备的情况(其中，输出光利用凹面反射镜向测量范围偏转)一样，由于凹面反射镜的凹面形状，输出光被凹面反射镜偏转后，不能防止输出光的扩散。尤其是如果在输出光到达凹面反射镜之前，从激光束产生装置发射的输出光的轴稍微偏离正确位置或从正确方向倾斜，那么由于凹面反射镜的偏转，情况会更糟。输出光归因于凹面反射镜的偏转而发生的扩散会缩小目标到设备的距离的可测量范围。因此，Hoashi等的激光雷达设备或相似类型的激光雷达设备不能确保目标距离的准确测量，尤其是对于远离设备的目标。

发明内容

本发明的目的是提供激光雷达设备，它具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的方位以及从设备到目标的距离的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小的优点，这一点归因于投影光学系统和光检测系统的同轴结构。

一方面，本发明中的激光雷达设备测量从激光雷达设备到目标的距离和方位，这一目标位于测量范围中，这一激光雷达设备包括：激光束产生装置、光检测装置、反射镜组件、光偏转装置以及旋转驱动装置。所述激光束产生装置产生具有轴的激光束并向测量范围发射激光束。所述光检测装置检测位于测量范围中的目标反射回来的反射激光束。所述反射镜组件还包括通孔和反射表面。通孔贯通反射镜组件，与激光束产生装置发射的激光束的轴同轴，并且透射从激光束产生装置发射的激光束。将反射表面设置为与从激光束产生装置发射的激光的轴成预定角度并且向光检测装置反射由目标反射回来的反射激光束。光偏转装置用于向测量范围偏转从激光束产生装置发射的激光束以及向激光束隔离装置偏转由位于测量范围中的目标反射回来的反射激光束。所述光偏转装置具有旋转轴、反射镜表面(包括具有平坦反射镜表面的平坦反射部分和具有凹面形反射镜表面的凹面反射部分)。所述反射镜表面还具有焦点，由目标反射回来的反射激光束被光偏转装置的反射镜表面反射后，激光束到达这一焦点。旋转驱动装置绕光偏转装置的旋转轴旋转光偏转装置，使得光偏转装置的凹面反射部分的凹面形反射镜表面和平坦反射部分的平坦反射镜表面转向测量范围的方向。此外，光偏转装置的焦点位于光偏转装置的旋转轴上，并且光偏转装置向测量范围偏转从激光束产生装置发射的激光束以及向反射镜组件偏转由位于测量范围中的目标反射回来的反射激光束。

另一方面，除激光束产生装置外，本发明中测量从激光雷达设备到位于测量范围中的目标的距离和方位的激光雷达设备还包括：激光会聚装置，用于将目标反射回来的反射激光束汇聚到光检测装置；光检测装置；反射镜组件，具有通孔和反射表面；光偏转装置；以及旋转驱动装置。

另一方面，除激光束产生装置外，本发明中测量从激光雷达设备到位于测量范围中的目标的距离和方位的激光雷达设备还包括：光束改变装置，用于将激光束产生装置发射的激光束改变为具有预定投影图案的改变的激光束；光检测装置；具有通孔和反射表面的反射镜组件；光偏转装置；以及旋转驱动装置。光束改变装置嵌在光偏转装置的表面的平坦反射镜表面部分中，使得从激光束产生装置发射的激光束改变为在测量范围内具有预定投影图案并且改变的激光束的横截面覆盖比从激光束产生装置发射的激光束的横截面更大的面积。

根据本发明的另一方面，测量从激光雷达设备到测量范围内的目标的距离和方位的方法，包括如下步骤：产生具有轴的激光束，并向所述测量范围发射所述激光束；将所述激光束分裂成引导到所述测量范围的第一激光束和引导到所述光检测装置的第二激光束；用所述光检测装置检测第二激光束来估计第二激光束的量；基于第二激光束的强度来估计所述激光束产生装置的输出功率；将估计出来的所述激光束产生装置的输出功率与参考值进行比较；根据比较结果调整激光束产生装置的输出功率；利用所述反射镜组件的反射表面将来自所述目标的反射回来的第一激光束反射到所述光检测装置；利用平坦反射镜向所述测量范围偏转第一激光束；利用凹面形反射镜向所述光检测装置偏转来自所述目标的反射回来的激光束；以及利用所述光检测装置检测来自所述目标的反射回来的第一激光束；并且基于所述输出和输入激光束的相位差，或者所述激光束的发射和接收之间经历的时间并利用光速，来计算从所述设备到所述目标的距离。

附图说明

从下文给出的详细描述以及从本发明的优选实施例的附图能够更充分地理解本发明，不应当认为是用于将本发明限制于特定的实施例，而应当认为是仅仅用于说明和理解的目的。

在这些附图中：

图1是本发明第一实施例的激光雷达设备的示意图；

图2是图1所示第一实施例中具有通孔和半镀银反射镜的反射镜的示意图；

图3是图2所示反射镜的剖视图和底视图；

图4是图1所示第一实施例中具有凹面反射镜部分和平坦反射镜部分的旋转装置的示意图；

图5是图4所示旋转装置的剖视图和底视图；

图6说明第一实施例中透过光束改变装置并由平坦反射部分偏转的输出光的投影图案；

图7是一个流程图，用于说明激光输出控制装置对激光二极管进行的反馈控制操作，这一操作用于调整图1所示激光雷达的激光二极管的激光束输出强度；

图8是本发明第一实施例一种变形的激光雷达设备的示意图；

图9是本发明第二实施例的激光雷达设备的示意图；

图10是第二实施例中具有凹面反射镜部分和平坦反射镜部分的旋转装置的示意图；

图11说明第二实施例中透过光束改变装置并由平坦反射部分偏转的输出光的投影图案；

图12是本发明第三实施例的激光雷达设备的示意图；

图13说明第三实施例中透过光束改变装置并由平坦反射部分偏转的输出光的投影图案；

图14是常规激光雷达设备的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图说明本发明的优选实施例。在所有附图中，用相同的标号表示相同的构成。

(第一实施例)

下面将参考图1～7来描述本发明第一实施例的激光雷达设备。

图1是本发明第一实施例的激光雷达设备100的示意图。

如图1中所示，包括激光二极管10和光电二极管20的激光雷达设备100被设计为基于激光二极管10发射的输出光L0和目标反射回来并由光电二极管20接收的输入光L3的相位差，或者基于输出光L0的发射和输入光L3的接收之间经历的时间并利用光速，来检测从设备到位于测量范围内的目标的方位，如果存在目标的话，以及从设备到目标的距离。在这个实施例中，激光二极管10发射激光脉冲。

激光二极管10响应来自图1中没有画出的激光二极管控制块的指令信号，将具有轴作为输出激光束L0的激光脉冲发射到测量范围。激光束产生装置由激光二极管10、控制装置82和存储器84构成。控制装置82和存储器84通过发送指令信号给激光二极管10来控制激光二极管10的工作过程。在从激光二极管10发射激光脉冲的这种情况下，指令信号包含电流脉冲信号。

光电二极管20对应于光检测装置。输出激光束L0被测量范围中的目标反射，形成反射激光束或输入激光束L3。然后，反射激光束L3被光电二极管20检测并转换为电信号，电信号的幅度是反射激光束L3强度的函数。在这个实施例中，如图1中平行线L3所示，目标反射的激光束只有一部分，也就是在目标表面具有接近0度的反射角的那一部分激光束，能够回到激光雷达设备。目标反射的其余部分激光束因为在目标表面的反射角偏离0度而无法被检测到。

激光雷达设备100还包括光学透镜60和反射镜组件300。光学透镜60和反射镜组件300都与输出激光束L0的轴同轴。

光学透镜60是将激光二极管10发射的激光束L0变为平行光线激光脉冲的一种准直透镜。光学透镜60对应于激光束准直装置。

在本实施例中，反射镜组件300包括反射镜30和半镀银反射镜80。反射镜30基本上是具有两个表面的板。反射镜30具有与反射镜30的表面之一对应的反射平面31和通孔32。反射平面31与输出激光束L0的轴成预定角度。通孔32具有中心轴并且贯通反射镜30，使得通孔32的中心轴穿过反射板31的表面。本发明的激光雷达设备100的设置使得输出激光束L0和输入激光束L3同轴。将反射镜30设置成使得输出激光束L0通过通孔32。因此，输出激光束L0通过反射镜30，虽然输入激光束L3被反射镜30偏转。通孔32和输出激光束L0具有公共轴。此外，反射镜30的反射板31偏转输入激光束L3，从而将它引导到光电二极管20。

半镀银反射镜80用作光束分裂装置。半镀银反射镜80被设置为与输出激光束L0的轴(也就是与通孔32的轴)同轴。半镀银反射镜80将输出激光束L0分裂为第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。第一输出激光束L1和第二输出激光束L2的方向彼此不同。输出激光束L0被半镀银反射镜80分裂以后，第一输出激光束L1到达凹面反射镜41。

反射镜组件300对应于激光束隔离装置。

本实施例的激光雷达设备100还包括旋转装置400。将旋转装置400设置为能够绕一个旋转轴旋转，这个旋转轴是输出激光束L0的轴，使得水平方向上的角扫描范围能够达到360度。旋转装置400包括凹面反射镜401，它使输出激光束L0向测量范围偏转，并且使目标反射回来的输入激光束L3向反射镜30偏转。凹面反射镜401在旋转装置400的旋转轴上具有焦点。旋转装置400是具有凹形表面的装置的一个实例。旋转装置400的旋转角决定了要探测的目标的方位。凹面反射镜401与光偏转装置对应，这一光偏转装置包括具有凹面形表面的物体。后面将说明凹面反射镜401的详细结构。

为了驱动旋转装置400连续旋转运动，提供了马达50。马达50具有驱动旋转装置400和凹面反射镜401的输出轴51。马达50是旋转驱动装置的一个实例。将步进马达用作马达50。在步进马达中，全程旋转被分成多步。如果以一步具有很小旋转角的方式控制步进马达，旋转装置400就能够以高分辨率旋转。于是能够准确确定目标方位。此外，还可以使用步进马达以外的其它类型的马达作为马达50。例如，可以使用伺服马达。如果使用其轴以恒定速度旋转的马达作为马达50，就能够很容易地计算出旋转装置400指向测量范围所需要的时间。因此，激光二极管控制块的工作方式是：输出电流脉冲给激光二极管10作为指令信号的时间，与马达轴的旋转角达到所需值的到达时间同步。其结果是，激光二极管10以适当的时序发射输出激光束L0，来探测所需方位上的目标。在本实施例中，为了检测马达50的旋转角度，提供旋转角传感器52并将其连接到马达50。采用将马达50的轴51的角度转换成模拟或数字电信号的旋转编码器，作为旋转角传感器52的实例。如上所述，可以接受任何类型的马达用作马达50。

此外，本实施例的激光雷达设备100包括用作光束改变装置的光学元件1000。光学元件1000设置在激光二极管10和设备100外的测量范围之间的输出激光束L0的轴上。具体地说，光学元件1000优选位于激光二极管10和反射镜30的通孔32之间，从激光二极管10发射的输出激光束L0的轴上。

光学元件1000包括透射型衍射光栅。输出激光束L0透过光学元件1000并被改变，从而具有预定的投影图案，该图案覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面更大的横截面。到光学元件1000的入射激光束是由光学透镜60准直的平行光线激光束。在入射激光束被光学元件1000透射后，输出激光束L0的直径增大。因此，与不包括光学元件1000的情况相比，也增大了测量范围中目标靶面F上的辐照面积。

图6说明光学元件1000产生的第一输出光L1的示例性投影图案。在图6中，画出了由光学元件1000产生的环形投影图案P1。

凹面反射镜401的平坦反射部分403投影到与旋转轴51a垂直的平面上的图像具有圆的形状。也就是说，将具有旋转装置400的设备100C放在水平平面中的时候，第一输出激光束L1在水平方向从设备100出来。因此，如果在测量范围内准备垂直平面F，并且第一输出激光束L1入射到垂直平面F上，那么第一输出激光束L1的强度分布是圆形，如图6所示。

环形投影图案P1包括暗区A1和亮区A2，其中相比暗区A1有更高强度的输出光照射在亮区A2上。暗区A1由亮区A2包围。利用一些已知的分光技术，能够产生与环形投影图案P1不同的其它图案。

此外，在本实施例中，在反射镜组件300和光电二极管20之间提供汇聚透镜1100。汇聚透镜1100将来自测量范围经由凹面反射镜401和反射镜组件300到达汇聚透镜1100的输入激光束L3会聚到光电二极管20。因此，汇聚透镜1100的焦点位于光电二极管20的检测表面上，在这个表面上接收输入激光束L3。汇聚透镜1100对应于激光束会聚装置。

此外，在本实施例中，提供盖盒3以容纳激光二极管10、光电二极管20、反射镜组件300、光学透镜60、旋转装置400和汇聚透镜1100。因此，能够保护这些些元件，防止它们暴露于尘埃或物理碰撞。盖盒3具有光学窗口4，从设备100发射的第一输出激光束L1和到达设备100的输入激光束L3分别通过窗口4。因此，光学窗口4与凹面反射镜401具有相同的高度。光学窗口4围绕凹面反射镜401并具有环的形状，该环的中心位于第一输出激光束L1的轴与环形光学窗口4的横截面相交的点处。光学窗口4由透明玻璃这种透明板5覆盖，以防止设备100中的凹面反射镜401和其它元件暴露于尘埃。将透明板5设置为稍微偏离与第一输出激光束L1和输入激光束L3的轴成直角的角度。因此，即使第一输出激光束L1被透明板5反射，被反射的输出激光束的轴与第一输出激光束L1和输入激光束L3的轴也不同。因此，由透明板5反射的第一输出激光束L1不会影响目标与设备100的距离的确定。

此外，在本实施例中，控制装置82以及存储器84包括在设备100中。

此外，将半反镀银射镜80分裂的第二输出激光束L2引导到光电二极管20并由光电二极管20检测以测量其强度。将光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度与激光二极管10发射的输出激光束L0的强度进行相关处理。因此，如果进行反馈控制操作来控制激光二极管10，则输出激光束L0的强度被调整为合适的值。在这个实施例中，控制装置82和存储器84进行用于对激光二极管10进行控制的反馈控制操作。

控制装置82可以用具有中央处理单元(CPU)的微型计算机构成，存储器84可以用存储器构成，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器等。控制装置82和存储器84与调整来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度的输出强度调整装置的实例相对应。

控制装置82的CPU进行由存储在存储器84中的计算机程序规定的反馈控制操作。反馈控制操作包括如下步骤：估计来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度；将输出激光束L0的输出强度与参考值比较；以及校正输出激束光L0的输出强度。以预定的间隔或者仅在满足预定条件时，例如，设备100的操作员打开控制这一操作的开关，开始进行反馈控制操作。

接下来，将参考图2和3，详细讨论在本实施例中具有反射镜30和半镀银反射镜80的反射镜组件300。

图2是图1所示第一实施例中具有半镀银反射镜和通孔的反射镜的示意图。

如图2所示，反射镜组件300的反射镜30具有平板一样的形状，具有一个表面33以及与表面33相反的未画出的另一个表面31。反射镜30的表面31对应于反射平面。通孔32形成在表面31的中心附近，从表面33到反向表面31贯通反射镜400。

此外，反射镜组件300包括用作光束分裂装置的半镀银反射镜80。半镀银反射镜80与输出激光束L0的轴同轴，也就是与通孔32的轴同轴。反射镜组件300将输出激光束L0分裂为第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。第一输出激光束L1和第二输出激光束L2的方向彼此不同。第一输出激光束L1与第一实施例的输出激光束L0具有相同的光路。也就是说，第一输出激光束L1到达凹面反射镜401。因此，基于由光电二极管20检测到的第二激光束L2的强度，能够进行调整输出激光束L0的输出强度的反馈控制操作，如图3中所示。

图3是图2所示反射镜组件300的剖视图和底视图。

在本实施例中，形成通孔32，使得输出激光束L0通过通孔32，也就是说，将通孔32的中心轴设置为与输出激光束L0的轴相同。如同在图3中能够看到的一样，通孔32被半镀银反射镜80覆盖。

如图3所示，通孔32具有管的形状，这个管具有轴。通孔32的轴与输出激光束L0的轴重合。这意味着通孔32的轴与第一输出激光束L1的轴重合。通孔32沿着轴具有圆形横截面34。也就是说，如果如图5所示将通孔32投影到与第一输出激光束L1的轴垂直的平面，那么通孔32的投影图像是在点X1处具有中心的圆34，这个点X1是第一输出激光束L1的横截面中心。通孔32具有恒定的直径D1。允许通孔32具有其它形状的横截面，例如椭圆形横截面之类。

半镀银反射镜80覆盖通孔32。在这个实施例中，如图3所示，通过将镀银反射镜80投影到与第一输出激光束L1的轴垂直的平面上去获得的半镀银反射镜80的投影图像是圆形。也就是说，镀银反射镜80具有基本上是椭圆形的形状，因为将椭圆投影到水平平面上去的时候，按照这种方式倾斜放置的椭圆具有圆形投影图像。

接下来，将参考图4和5，详细讨论本实施例中具有凹面反射镜401的旋转装置400，凹面反射镜401进一步具有凹面反射部分402和平坦反射部分403，凹面反射部分402具有凹面形反射镜表面402a，平坦反射部分403具有平坦反射镜表面403a。

图4是旋转装置400的示意图，旋转装置400具有凹面反射部分402和平坦反射部分403，凹面反射部分402具有凹面形反射镜表面402a，平坦反射部分403具有平坦反射镜表面403a。

如图4中所示，凹面反射镜401具有凹面反射部分402和平坦反射部分403，凹面反射部分402具有凹面形反射镜表面402a，平坦反射部分403具有平坦反射镜表面403a。凹面反射镜401的表面由平坦反射部分403的平坦反射镜表面403a和凹面形反射镜表面402a覆盖，从而使凹面形反射镜表面402a包围平坦反射镜表面403a。

图5是图4所示旋转装置的剖视图和底视图。

如图5中所示，平坦反射镜表面403a的配置使得半镀银反射镜80分裂的第一输出激光束L1到达平坦反射镜表面403a并由其反射。也就是说，凹面反射镜401的平坦反射镜表面403a与第一输出激光束L1的轴X2同轴。如果如图5所示将凹面反射镜401的表面投影到与第一输出激光束L1的轴垂直的平面，那么凹面反射镜401的表面的投影图像是中心在点X1且直径为D2的圆404。凹面反射镜401表面的投影图像也可以具有其它形状的剖面，例如圆形剖面之类。

接下来，将说明激光二极管10的反馈控制操作。

图7是一个流程图，用于说明由控制装置82和存储器84对激光二极管10进行的反馈控制操作，该操作用于调整来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。

在步骤S10中，估计来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。第二输出激光束L2被半镀银反射镜80分裂。因此，因为光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度与激光二极管10发射的输出激光束L0的输出强度相关，所以能够基于光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度，来获得来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。

接下来，在步骤S20中，将来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度的估计值与参考值比较。更明确地说，确定由光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度是否大于阈值。第二输出激光束L2的强度的阈值取决于输出激光束L0的输出强度的参考值。通常情况下，可以预期来自激光二极管10的输出激光束L0的输出强度与光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度成比例。换句话说，可以预期如果第二输出激光束L2的强度大于阈值，那么输出激光束L0的输出强度就大于参考值。因此，如果输出激光束L0的输出强度大于参考值，那么步骤S20的结论就是“否”，并且这一过程进入步骤S30。

在步骤S30中，通过减小由控制装置82控制的指令信号的幅度，来校正输出激光束L0的输出强度。指令信号从图4中未画出的并被连接到激光二极管10和控制装置82的激光二极管驱动块提供。作为这一步骤的结果，输出激光束L0的输出强度得到减小并变成在容许的范围中。然后，这一过程进入步骤S10。

与这种情况形成对照，如果输出激光束L0的输出强度小于或等于参考值，步骤S20的确定结果就是“是”，激光二极管10的反馈控制操作完成。

在本实施例中，反射镜组件300的光束分裂装置80将输出激光束L0分裂为第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。光束分裂装置80包括半镀银反射镜。虽然第二输出激光束L2被导向光电二极管20，但是第一输出激光束L1到达凹面反射镜401。

此外，基于光电二极管20检测到的第二激光束L2的强度，进行反馈控制操作来调整输出激光束L0的输出强度。

(激光雷达设备的工作过程)

下面将说明激光雷达设备100的工作过程。

首先，激光二极管控制块向激光二极管10发送指令信号。指令信号包括，例如，致使激光雷达10输出与电流脉冲成比例的激光束脉冲L0的电流脉冲。也就是说，从激光二极管10发射长度与电流脉冲成比例的激光束脉冲L0。从激光二极管10发射的激光束脉冲L0在其行进过程中扩散，因为激光束脉冲L0在它们从激光二极管10发射后就具有初始扩散角。

接下来，由光学透镜60将激光束脉冲L0转换成平行光线的激光脉冲L0。

由光学透镜60准直的平行光线的激光脉冲L0通过反射镜30的通孔32。

然后，通过反射镜30的通孔32的平行光线的激光脉冲L0成为去往用作光束改变装置的光学元件1000的入射激光脉冲L0。光学元件1000包括透射型衍射光栅。输出激光束L0透过光学元件1000并被改变，从而具有预定投影图案，这个预定投影图案覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面更大的横截面。

然后，透过光学元件1000并且被半镀银反射镜80分裂的第一输出激光束L1到达凹面反射镜401。

凹面反射镜401的平坦反射镜部分403偏转第一输出激光束L1。因此，从凹面反射镜401偏转的第一输出激光束L1出来到达测量范围以探测目标。

如果一些目标位于测量范围内，那么这些目标反射从设备100射出的第一输出激光束L1。在目标表面接近零度反射角的部分激光脉冲回到设备100成为输入激光束L3。

通过光学窗口后，输入激光束L3或输入激光脉冲L3入射到凹面反射镜401并被其反射。在这种情况下，凹面反射镜401的凹面形反射镜部分402用作汇聚透镜，这个汇聚透镜汇聚输入激光束L3，缩小其横截面的面积，以便反射镜30能够捕获全部输入激光束L3。来自凹面反射镜401的反射激光束L3被反射镜30反射。然后，输入激光束L3到达汇聚透镜1100。

汇聚透镜1100将到达汇聚透镜1100的输入激光束L3会聚到光电二极管20。

然后，反射激光束L3由光电二极管20检测并被转换成电信号，其幅度是反射激光束L3强度的函数。

在本配置中，测量输出激光束L0从激光二极管10发射的时刻和输入激光束L3被光电二极管20捕获的另一时刻之间经历的时间，以利用光速获得到位于测量范围中并反射来自设备100的第一输出激光束L1的目标的距离。基于驱动凹面反射镜401的马达50的旋转角度直接获得目标的方位。

(激光雷达设备的优点)

图14是常规激光雷达设备900的示意图。

与本实施例的激光雷达设备100类似，已知的激光雷达设备900包括：激光二极管901、光电二极管902、光隔离器903、凹面反射镜904、马达905、光学窗口906、盖盒907、第一狭缝908、第二狭缝909以及第三狭缝910。设备900被配置为基于激光二极管901向测量范围发射激光束的时刻和光电二极管902检测到来自目标的反射激光束的另一时刻之间经历的时间，并利用光速，来检测目标的距离。目标的方位通过旋转马达905的旋转角确定。

激光二极管901发射具有预定扩散角的激光束。光隔离器透射从激光二极管901发射的激光束。凹面反射镜904将经由光隔离器903从激光二极管901射入的激光束向测量范围偏转。如果在测量范围内存在目标，反射激光束就从目标返回。反射激光束被凹面反射镜904偏转。因为凹面反射镜904设置有激光二极管901，所以来自目标的反射激光束被光隔离器903向光电二极管902偏转。

激光二极管901、光电二极管902、光隔离器903、凹面反射镜904以及马达905被容纳在具有光学窗口906的盖盒907内。激光束经过光学窗口906输出到测量范围并被位于测量范围的目标反射回来。

在设备900中，在激光束透过光隔离器以及被光隔离器偏转时，必然引起激光束的衰减。

与设备900的情况相反，激光雷达设备100不使用光隔离器。

如同在此之前所说明的一样，在激光雷达设备100中，存在反射镜30，这个反射镜30以预定的角度设置，例如，相对于输出激光束L0的轴约45度的角。此外，反射镜30具有通孔32，输出激光束L0通过通孔32而其强度没有任何损失。此外，反射镜30具有将输入激光束L3向光电二极管20反射的反射板31。因此，本发明中激光雷达设备100的反射镜30能够改善在输出激光束L0的透射和输入激光束L3的反射过程中的光损耗特性。作为反射镜30光损耗特性这种改善的结果，还能有效地改善目标距设备100的距离的探测准确度。尤其是在本实施例中，反射镜30的通孔32是空的，由反射镜30引起的输出激光束L0的衰减相对于设备900得到了有效的改善。此外，在输出激光束L0从设备向测量范围输出之前，通过通孔32的输出激光束L0被凹面反射镜401的平坦反射镜部分403偏转。因此，能够防止在凹面反射镜401的表面偏转输出激光束L0时引起光束扩散。因此，光学激光束设备100能够准确地检测远离设备100位置处的目标的距离。此外，来自测量范围的输入激光束L3被凹面反射部分402的凹面形反射镜表面402a向反射镜组件300偏转。这样，输入激光束能够以最小的强度损失到达光电二极管20。因此，能够减小输入激光束L3在设备100的盖盒3内行进过程中的强度损失。

如果将投影光学系统定义为包括激光二极管10、马达50、光学透镜60、光学元件1000、反射镜30以及凹面反射镜401的组件，并且将光检测系统定义为包括凹面反射镜401、包括半镀银反射镜80的反射镜30、马达50、汇聚透镜1100以及光电二极管20的组件，那么归因于投影光学系统和光检测系统的同轴结构，本实施例中的激光雷达设备100能够改善光束分裂效率，改善到目标的距离和方位的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小这一优点。

此外，在本实施例中，存在光学透镜60，它位于激光二极管10和反射镜30的通孔32之间，并与输出激光束L0的轴同轴。这样，在通过反射镜30的通孔32时，输出激光束L0由不具有扩散角的平行光线的激光脉冲构成，因为从激光二极管10发射的扩散的激光束脉冲被光学透镜60转换成了平行的激光脉冲L0。这样就能够减小通孔32的最小直径D1以及在反射输入激光束L3时反射镜30的光损耗特性。因此，能够使反射镜30反射期间引起的输入激光束L3强度的损失最小。

此外，设备100包括光学元件1000，它在激光雷达10和反射镜组件300的通孔32之间的输出激光束L0的轴上。在这一配置中，只有输出激光束L0到达光学元件1000。也就是说，输入激光束L3没有透过光学元件1000。这样，光学元件1000不会引起输入激光束L3的任何损耗。因此，激光雷达设备100具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，光学元件1000包括透射型衍射光栅，以产生输出激光束L0的预定投影图案。在光学元件1000中，入射激光束被扩散，使得输出激光束L0的直径随着通过光学元件1000的行进而增大。因此，与不包括光学元件1000的情况相比，位于测量范围的目标的靶表面F上的被辐照面积也增大了。光束改变装置包括光学元件1000。因此，通过光学元件1000，能够容易和稳妥地实现光束改变装置的功能。

第一输出激光束L1的预定投影图案包括暗区A1和亮区A2，其中相比暗区A1有更强的光照射在亮区A2上。于是，反射镜组件300能够减小由射入通孔32的输入激光束L3产生的输入激光束L3的损耗。因此，激光雷达设备100具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，在本实施例中，在反射镜30和光电二极管20之间提供汇聚透镜1100。汇聚透镜将输入激光束L3会聚到光电二极管20的检测表面。因此，能够减小反射镜30和光电二极管之间的距离以及反射镜30和旋转装置400之间的另一距离中的至少一个。此外，因为到达光电二极管20的输入激光束L3被汇聚透镜1100会聚并且其密度足够高，所以可能使用较小的光电二极管20。因此，能够缩小激光雷达设备100的尺寸。

此外，在本实施例中，输入激光束L3从反射镜30的反射平面31反射。因此能够实现输入激光束L3从反射镜30的反射平面31接近理想的反射，尽管由于通孔32引起了输入激光束L3的强度有一些损耗这一事实，以及在光隔离器中不可能实现接近理想的反射。因此，在设备100中行进时引起的输入激光束L3的衰减得到了明显的改善。

此外，在本实施例中，如果通孔32被投影到垂直于输出激光束L0的轴的平面的话，反射镜30的通孔32的设计使得通孔32的投影图像具有中心在点X1的圆形形状，如图3所示。因此，输出激光束L0具有最大光强度的中心部分将通过通孔32而不会有任何强度损耗。因此，能够改善设备100的光损耗特性。

此外，凹面反射镜401将从激光二极管10发射的输出激光束L0向设备100外的测量范围反射，并且将来自测量范围中的目标(如果存在目标的话)的输入激光束L3向反射镜30偏转。这样，本实施例的激光雷达设备100具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小的优点。此外，凹面反射镜401具有平坦反射部分403，平坦反射部分403具有平坦反射镜表面403a，该配置使得从激光二极管10发射的输出激光束L0到达平坦反射镜表面403a并被其反射。于是，能够防止在输出激光束L0被凹面反射镜401反射的时候引起光束扩散。因此，激光雷达设备100具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，由于光学元件1000和凹面反射镜401的平坦反射镜部分403的组合，能够获得从设备100到测量范围的第一输出激光束L1的有效发射，因为光学元件1000产生的输出激光束的主要部分被平坦反射镜部分403反射，而没有由于平坦反射镜部分403的反射而引起第一输出激光束L1的光束扩散。

此外，在本实施例中，基于光电二极管20检测到的第二激光束L2的强度，进行反馈控制操作，以调整输出激光束L0的输出强度。

因此，能够适当地基于输出激光束L0的实际输出强度，调整输出激光束L0的输出强度。此外，如果光束分裂装置80由半镀银反射镜构成，就能够获得高效率。因此，本实施例的激光雷达设备100能够获得改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小的优点，这归因于投影光学系统和光检测系统的同轴结构。

(第一实施例的变形)

参考图8，将说明第一实施例的变形中的激光雷达设备。

图8是本发明第一实施例的变形中激光雷达设备100A的示意图。

在本实施例中，与先前实施例的差别基于在反射镜组件300和光电二极管20之间没有汇聚透镜1100。

在这里，将第一长度定义为输出激光束的轴与反射镜表面的轴相交的点X3和与凹面反射镜401的焦点对应的另一点X5之间的长度。此外，将第二长度定义为点X3和位于输入激光束X3的轴上以及光电二极管20的检测表面上的点X4之间的长度。激光雷达设备100A的设计使得第一长度与第二长度相等。在这一配置中，能够省去反射镜组件300和光电二极管20之间的准直透镜1100。因此，能够减小激光雷达设备100A中包括的光学部件的数量。

(第二实施例)

下面将参考图9～11来描述本发明第二实施例的激光雷达设备。

图9是本发明第二实施例中激光雷达设备100B的示意图。

在本实施例中，与先前实施例的差别基于在激光二极管10和反射镜30之间没有光学元件1000，以及具有凹面反射镜410的旋转装置400A的使用。因此，将省去与在先前实施例中使用的那些具有相同功能和结构的激光雷达设备的构成相关的详细讨论。

如同第一实施例中的情况一样，将激光雷达设备100B设计为检测从设备到目标的距离和方位，这种检测基于经由半镀银反射镜80和平坦反射镜表面411a的由激光二极管10发射的输出光，与经由凹面形反射镜表面402a和半镀银反射镜80的被目标反射回来并被光电二极管20接收的输入光之间的相位差，或者利用光速基于光脉冲的发射和接收之间经历的时间。在这个实施例中，激光二极管10发射光脉冲。

激光雷达设备100B包括投影光学系统和光检测系统。凹面反射镜410还包括具有凹面形反射镜表面402a的凹面反射部分402和具有平坦反射镜表面411a的平坦反射部分411。平坦反射部分411用作光学元件。

在本实施例中，投影光学系统包括用作激光束产生装置的元件的激光二极管10，用作旋转驱动装置的马达50，用作激光束准直装置的光学透镜60，反射镜组件300，以及用作光偏转装置的凹面反射镜410，而光检测系统包括用作光偏转装置的凹面反射镜410，反射镜组件300，用作光检测装置的元件的光电二极管20，以及用作旋转驱动装置的马达50。反射镜组件300包括用作激光束隔离装置的反射镜30和用作光束分裂装置的半镀银反射镜80。激光二极管10发射输出激光束L0。

如同第一实施例中的情况一样，反射镜组件300具有反射镜30和半镀银反射镜80。反射镜30以预定的角度设置，例如，以相对于输出激光束L0的轴约45度的角。此外，反射镜30具有通孔32，输出激光束L0通过它而没有其强度的任何损耗。通孔32至少部分地被半镀银反射镜80覆盖。此外，反射镜30具有将输入激光束L3向光电二极管20反射的反射板31。虽然输入激光束L3被反射镜30偏转，但是输出激光束L0进入反射镜30的通孔32。反射镜30基本上是具有两个表面的板。反射镜30具有与反射镜30和半镀银反射镜80的表面之一对应的反射平面31。反射平面31与输出激光束L0的轴成预定角度。反射镜30基本上是具有两个表面的板。反射镜30具有与反射镜30的表面之一对应的反射平面31。反射平面31与输出激光束L0的轴成预定角度。通孔32具有中心轴并贯通反射镜30，使得通孔32的轴通过反射板31的表面。反射镜组件300的半镀银反射镜80将输出激光束L0分裂为第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。第一输出激光束L1与第二输出激光束L2的方向彼此不同。第一输出激光束L1与第一实施例的输出激光束L0具有相同的光路。也就是说，第一输出激光束L1到达凹面反射镜410。

此外，提供盖盒3以容纳激光二极管10、光电二极管20、反射镜组件300、光学透镜60以及旋转装置400A。盖盒3具有光学窗口4，输出激光束L0和输入激光束L3分别通过它从设备100B射出和到达设备100B。如同前面公开的第一实施例的设备100B中一样，光学窗口4被透明玻璃这种透明板5覆盖，以防止设备100的凹面反射镜410和其它元件暴露于尘埃。

此外，被半镀银反射镜80分裂的第二输出激光束L2被引导到光电二极管20并被光电二极管20检测以测量其强度。光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度与激光二极管10发射的输出激光束L0的强度相关。利用这一事实，通过控制装置82和存储器84对激光二极管10进行反馈控制。

此外，与第一实施例的情况类似，旋转装置400A被设置为能够利用马达50绕与第一输出激光束L1的轴相同的旋转轴旋转，使得水平方向上的角扫描范围能够达到360度。旋转装置400A包括凹面反射镜410，它将第一输出激光束L1向测量范围偏转并将目标反射回来的输入激光束L3向反射镜30偏转。凹面反射镜410在旋转装置400的旋转轴上具有焦点。

为了驱动旋转装置400A作连续的旋转运动，提供有马达50。马达50具有驱动旋转装置400A和凹面反射镜410的输出轴51。马达50对应于旋转驱动装置。为了检测马达50的旋转角度，提供旋转角度传感器52并将其连接到马达50。

凹面反射镜410具有凹面反射部分402和平坦反射部分411，凹面反射部分402具有第一实施例中公开的凹面形反射镜表面402a，平坦反射部分411具有平坦反射镜表面411a。

凹面反射镜410的表面被平坦反射部分411的平坦反射镜表面411a和凹面形反射镜表面402a覆盖，使得平坦反射镜表面44a被凹面形反射镜表面402a包围。此外，平坦反射镜表面411a的配置使得半镀银反射镜80分裂的第一输出激光束L1到达平坦反射镜表面411a并被其反射。也就是说，凹面反射镜410的平坦反射镜表面411a与第一输出激光束L1的轴同轴。

旋转装置400A具有旋转轴51a，将它定义为马达50的输出轴51的轴。旋转轴51a的与激光二极管10和凹面反射镜410之间输出激光束L0和第一输出激光束L1的轴对准。凹面反射镜410的凹面反射部分443在旋转装置400A的旋转轴51a上具有焦点。因此，在被目标反射回来的输入激光束L3被凹面反射镜410的凹面反射部分402反射后，输入激光束L3会聚到旋转轴51a上的焦点。

图10是图9所示的第二实施例中旋转装置400A的示意图。

在本实施例的激光雷达设备100B中，凹面反射镜410的平坦反射部分411包括反射型衍射光栅。平坦反射部分411将半镀银反射镜80分裂的第一输出激光束L1向测量范围偏转并改变第一输出激光束L1，从而产生预定的投影图案，覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面要大的横截面。到平坦反射部分411的入射激光束是由光学透镜60准直的平行光线激光束。入射激光束被扩散，从而通过平坦反射部分411的反射，第一输出激光束L1的直径增大。

图11说明包括反射型衍射光栅的平坦反射部分411产生的第一输出光L1的示例性投影图案P1。投影图案P1与第一实施例中的类似。

将具有旋转装置400A的设备100B放置在水平平面上的时候，获得投影图案P1，第一输出激光束L1在水平方向上从设备100B出来。于是，如果在测量范围内准备垂直平面F，第一输出激光束L1入射到垂直平面F上，那么第一输出激光束L1的强度分布是圆形，如图11所示。

在图11中，画出了由平坦反射部分411产生的环形投影图案P1。环形投影图案P1包括暗区A1和亮区A2，其中相比暗区A1有更高强度的光照射在亮区A2上。平坦反射部分411的反射型衍射光栅起光学元件的作用。

本实施例的激光雷达设备100B具有与由先前实施例获得的相同的优点。激光雷达设备100B还具有包括反射型衍射光栅的凹面反射镜410的平坦反射部分411。平坦反射部分411设置在激光二极管10和测量范围之间的输出激光束L0的轴上。第一输出激光束L1被凹面反射镜410的平坦反射部分411反射并被改变，从而具有预定的投影图案，覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面要大的横截面。因此，由目标反射回来的输入激光束L3的分布可以被设计成防止输入激光束L3进入通孔32。因此，能够有效地减小通过反射镜组件300行进时引起的输入激光束L3的衰减。

此外，在激光雷达设备100B中，凹面反射镜402将第一输出激光束L1向设备100B外的测量范围偏转，并且将来自测量范围中的目标(如果存在目标的话)的输入激光束L3向反射镜30偏转。这样，本实施例的激光雷达设备100B具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小的优点。此外，凹面反射镜410具有平坦反射部分411，平坦反射部分411具有平坦反射镜表面411a，平坦反射镜表面411a被配置成使得第一输出激光束L1到达平坦反射镜表面411a并被其偏转。于是，能够防止在输出激光束L0被凹面反射镜410反射的时候引起光束扩散。因此，激光雷达设备100B具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，在本实施例中，平坦反射部分411包括将激光束改变为具有预定投影图案的反射型衍射光栅。在这一配置中，图1所示光学元件1000那种光学元件都不是必需的。这样，能够缩小激光雷达设备的尺寸。因此，本实施例的激光雷达设备100B具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度，而没有牺牲激光雷达设备尺寸小的优点。

此外，平坦反射部分411包括反射型衍射光栅以产生第一输出激光束L1的预定投影图案。在平坦反射部分411中，入射激光束被扩展，使得第一输出激光束L1的直径增大。因此，与不包括反射型衍射光栅的情况比较，位于测量范围中的目标的靶表面F上的辐照面积也增大了。光束改变装置包括平坦反射部分411。因此，通过平坦反射部分411，能够容易和可靠地实现光束改变装置的功能。

第一输出激光束L1的预定投影图案P1包括暗区A1和亮区A2，其中相比暗区A1有更强的光照射在亮区A2上。于是，反射镜组件300能够减小由输入激光束L3进入通孔32而产生的输入激光束L3的损耗。因此，激光雷达设备100B具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，在本实施例的激光雷达设备100B中，能够获得与先前实施例相同的优点。

(第三实施例)

下面将参考图12～13来描述本发明第三实施例的激光雷达设备。

图12是本发明第三实施例的激光雷达设备100C的示意图。

在本实施例中，与第二实施例的差别基于旋转装置400B与旋转装置400B的不同结构，因为旋转装置400B包括与凹面反射镜410不同的凹面反射镜420。因此，将省去与前面的实施例中使用的那些具有相同功能和结构的激光雷达设备的构成相关的详细讨论。

激光雷达设备100C具有旋转装置400B，旋转装置400B具有凹面反射镜420。凹面反射镜420具有凹面反射部分402和平坦反射部分421，凹面反射部分402具有凹面形反射镜表面402a，平坦反射部分421具有平坦反射镜表面421a。反射部分402已经在第一实施例中公开。凹面反射部分402的凹面形反射镜表面402a包围平坦反射部分421的平坦反射镜表面421a。平坦反射部分421的平坦反射镜表面421a设置在从激光二极管10发射的输出激光束L0的轴上。更详细地说，第一输出激光束L1被准直成平行光线的激光脉冲，并由半镀银反射镜80分散，然后射入平坦反射镜表面421a。

如同第一实施例中的情况一样，将激光雷达设备100C设计为检测从设备到目标(如果存在目标的话)的距离和方位，这一检测基于经由半镀银反射镜80和平坦反射镜表面421a的由激光二极管10发射的输出光，以及经由凹面形反射镜表面402a和半镀银反射镜80的被目标反射回并被光电二极管20接收的输入光之间的相位差，或者基于光脉冲的发射和接收之间经历的时间(利用光速)。在这个实施例中，激光二极管10发射光脉冲。

激光雷达设备100C包括投影光学系统和光检测系统。凹面反射镜410还包括具有凹面形反射镜表面402a的凹面反射部分402和具有平坦反射镜表面411a的平坦反射部分411。平坦反射部分411用作光学元件。

在本实施例中，投影光学系统包括用作激光束产生装置的元件的激光二极管10，用作旋转驱动装置的马达50，用作激光束准直装置的光学透镜60，反射镜组件300，以及用作光偏转装置的凹面反射镜420，而光检测系统包括用作光偏转装置的凹面反射镜420，反射镜组件300，用作光检测装置的元件的光电二极管20，以及用作旋转驱动装置的马达50。反射镜组件300包括用作激光束隔离装置的反射镜30和用作光束分裂装置的半镀银反射镜80。激光二极管10发射输出激光束L0。

如同第一实施例中的情况一样，反射镜组件300具有反射镜30和半镀银反射镜80。反射镜30以预定的角度(例如，以相对于输出激光束L0的轴约45度的角)设置。此外，反射镜30具有通孔32，输出激光束L0通过它而没有强度的任何损耗。通孔32至少部分地被半镀银反射镜80覆盖。此外，反射镜30具有将输入激光束L3向光电二极管20反射的反射板31。虽然输入激光束L3被反射镜30偏转，但是输出激光束L0进入反射镜30的通孔32。反射镜30基本上是具有两个表面的板。反射镜30具有与反射镜30和半镀银反射镜80的表面之一对应的反射平面31。反射平面31与输出激光束L0的轴成预定角度。反射镜30基本上是具有两个表面的板。反射镜30具有与反射镜30的表面之一对应的反射平面31。反射平面31与输出激光束L0的轴成预定角度。通孔32具有中心轴并贯通反射镜30，使得通孔32的中心轴通过反射板31的表面。反射镜组件300的半镀银反射镜80将输出激光束L0分裂为第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。第一输出激光束L1与第二输出激光束L2的方向彼此不同。第一输出激光束L1与第一实施例的输出激光束L0具有相同的光路。也就是说，第一输出激光束L1到达凹面反射镜420。

此外，提供盖盒3以容纳激光二极管10、光电二极管20、反射镜组件300、光学透镜60以及旋转装置400B。盖盒3具有光学窗口4，通过它第一输出激光束L1和输入激光束L3分别从设备100B射出和到达设备100B。如同前面公开的第一实施例的设备100B一样，光学窗口4被透明玻璃这种透明板5覆盖，以防止设备100的凹面反射镜420和其它元件暴露于尘埃。

此外，被半镀银反射镜80分散的第二输出激光束L2被引导到光电二极管20并被光电二极管20检测以测量其强度。光电二极管20检测到的第二输出激光束L2的强度与从激光二极管10发射的输出激光束L0的强度相关。利用这一事实，通过控制装置82和存储器84对激光二极管10进行反馈控制。

此外，与第一实施例的情况类似，旋转装置400B可以利用马达50绕与输出激光束L0的轴相同的旋转轴旋转，使得水平方向上的角扫描范围能够达到360度。旋转装置400B包括凹面反射镜420，凹面反射镜420将第一输出激光束L1向测量范围偏转并将由目标反射回来的输入激光束L3向反射镜30偏转。凹面反射镜420在旋转装置400的旋转轴上具有焦点。

为了驱动旋转装置400B作连续旋转运动，提供有马达50。马达50具有驱动旋转装置400A和凹面反射镜410的输出轴51。马达50对应于旋转驱动装置。为了检测马达50的旋转角度，提供旋转角度传感器52并将其连接到马达50。

旋转装置400B具有旋转轴51a，将它定义为马达50的输出轴51的轴。旋转轴51a与激光二极管10和凹面反射镜541之间的输出激光束L0和第一输出激光束L1的轴对准。凹面反射镜420的凹面反射部分543在旋转装置400B的旋转轴51a上具有焦点。因此，在被目标反射回来的输入激光束L3被凹面反射镜420的凹面反射部分343反射后，输入激光束L3会聚到位于旋转轴51a上的焦点。

此外，在本实施例的激光雷达设备100C中，凹面反射镜420的平坦反射部分421包括反射型衍射光栅。平坦反射部分421偏转从激光二极管10发射的并通过半反镀银射镜80向测量范围透射的第一输出激光束L1并改变输出激光束L0，从而产生预定投影图案，覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面要大的横截面。光学透镜60准直的到平坦反射部分421的入射激光束是平行光线激光束。入射激光束被扩展，从而随着平坦反射部分421的反射而增大第一输出激光束L1的直径。

图13说明包括反射型衍射光栅的平坦反射部分421产生的第一输出光束L1的示例性投影图案P2。投影图案P2与投影图案P1不同。

将具有旋转装置400B的设备100C放在水平平面中的时候，获得投影图案P1，第一输出激光束L1在水平方向从设备100C出来。因此，如果在测量范围内准备垂直平面F，并且第一输出激光束L1入射到垂直平面F上，那么第一输出激光束L1的强度分布是矩形，如图15所示。

如图13中所示，投影图案P2具有在垂直方向上平行于旋转轴51a的三个矩形区域。因此，投影图案P2有狭长矩形形状，具有较长边和较短边。也就是说，投影图案P2具有暗区A3和一对亮区A4。暗区A3夹在一对亮区A4之间。较长边的长度W1比较短边的长度W2长，如图13中所示。平坦反射部分421的反射型衍射光栅起光学元件的作用。

在本实施例的激光雷达设备100C中，能够获得与前面的实施例相同的优点。此外，平坦反射部分421改变射入的激光束以具有投影图案P2。投影图案P2具有一对亮区A4和夹于该对亮区A4之间的暗区A3。因此，反射镜组件300能够减小由输入激光束L3射入通孔32而产生的输入激光束L3的损耗。因此，激光雷达设备100C具有改善的光束分裂效率和改善的到目标的距离和方位的检测准确度。

此外，投影图案P2具有狭长矩形形状，长边平行于旋转轴51a，并具有一对亮区A4，它们在平行于旋转轴51a的方向上夹住暗区A3。因此，能够改善目标方位的分辨率。

(实施例的变形)

虽然通过优选实施例公开了本发明，以便更好地理解它，但是应当意识到本发明能够以不同的方式实现而不偏离本发明的原理。

例如，在第一、第二和第三实施例中，在激光二极管10和反射镜30之间提供光学透镜60。光学透镜60对应于激光束准直装置。然而，有可能去掉光学透镜60。在这种情况下，输出激光束L0通过通孔32。此外，光学透镜60优选包括汇聚透镜。

此外，在第一和第二实施例中，反射镜的通孔32的设置使得通孔32的投影图像具有圆形形状，如果将通孔32投影到与输出激光束L0的轴垂直的平面。然而，容许通孔32的投影图像具有矩形形状和其它形状。

此外，在以上公开的所有实施例中，通孔32至少部分地被半镀银反射镜80覆盖。然而，省去半镀银反射镜80是可能的。也就是说，在这种情况下，通孔32是空的。

此外，在第一实施例中，在输出激光束L0的光路径上提供光学元件1000。然而，省去光学元件1000是可能的。在这种情况下，输出激光束L0不被改变为具有任何预定的投影图案，而是平行光线的激光束或脉冲。

Claims (9)

1.一种测量目标的距离和到所述目标的方位的激光雷达设备，所述目标位于从所述激光雷达设备开始的测量范围中，包括：

激光束产生装置，用于产生具有轴的激光束，并向所述测量范围发射所述激光束；

光检测装置，用于检测位于所述测量范围中的所述目标反射回来的反射激光束；

反射镜组件，包括：

通孔，贯通所述反射镜组件，与从所述激光束产生装置发射的所述激光束的轴同轴，并且透射从所述激光束产生装置发射的所述激光束；以及

反射表面，设置为与从所述激光束产生装置发射的所述激光束的所述轴成预定的角度，并且向所述光检测装置反射由所述目标反射回来的反射激光束；

光偏转装置，用于偏转从所述激光束产生装置发射的所述激光束，以及偏转位于所述测量范围中的所述目标反射回来的所述激光束，所述光偏转装置具有旋转轴和焦点，并且包括反射镜表面，所述反射镜表面包括具有平坦反射镜表面的平坦反射部分和具有凹面形反射镜表面的凹面反射部分；

旋转驱动装置，用于绕所述光偏转装置的旋转轴旋转所述光偏转装置，使得所述光偏转装置的所述凹面反射部分的所述凹面形反射镜表面和所述平坦反射部分的所述平坦反射镜表面转向所述测量范围的方向，

其中，所述光偏转装置的所述焦点位于所述光偏转装置的旋转轴上，

光偏转装置向所述测量范围偏转从所述激光束产生装置发射的所述激光束，以及向所述反射镜组件偏转由位于所述测量范围中的所述目标反射回来的所述激光束。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

激光束会聚装置，用于将所述目标反射回来的所述激光束汇聚到所述光检测装置。

3.如权利要求1所述的设备，其中

所述光偏转装置的所述平坦反射部分的所述平坦反射镜表面被所述凹面反射部分的所述凹面形反射镜表面包围。

4.如权利要求1所述的设备，其中：

所述通孔的周边表面具有投影图像，该投影图像是通过向与所述激光束产生装置发射的激光束的轴垂直的平面投影所述通孔的所述周边表面而获得的，并且所述通孔的所述周边表面具有圆形的形状，以及

所述平坦反射部分的所述平坦反射镜表面的外部边缘具有投影图像，该投影图像是通过向与所述激光束产生装置发射的激光束的轴垂直的平面投影所述平坦反射部分的所述平坦反射镜表面的外部边缘而获得的，并且所述平坦反射部分的所述平坦反射镜表面的所述外部边缘具有圆形的形状。

5.如权利要求1所述的设备，还包括：

光束改变装置，用于将从所述激光束产生装置发射的所述激光束改变为具有预定投影图案的改变的激光束，

其中，所述光束改变装置嵌在所述光偏转装置的所述反射镜表面的所述平坦反射部分中，使得从所述激光束产生装置发射的所述激光束改变为在测量范围具有所述预定投影图案，并且改变的激光束的横截面覆盖比所述激光束产生装置发射的所述激光束的横截面更大的面积。

6.如权利要求5所述的设备，其中

所述光束改变装置包括衍射光栅。

7.如权利要求5所述的设备，其中

所述预定投影图案包括亮区和所述亮区包围的暗区，其中，相比所述暗区有更多量的光照射在所述亮区上。

8.如权利要求5所述的设备，其中

所述预定投影图案包括一对亮区和该对亮区之间的暗区。

9.如权利要求8所述的设备，其中

所述预定投影图案的设计使得该对亮区以预定间隔位于所述光偏转装置的旋转轴上。

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