CN102176023B - 测量物体方向和距离的激光雷达设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学激光雷达，包括激光束发生装置、光检测装置、镜子、光偏转装置和旋转驱动装置。激光束发生装置发射具有轴线的激光束。光检测装置检测物体反射回来的反射激光束。镜子包括使激束光通过的通孔、以及将物体反射回来的反射激光束朝光检测装置反射的反射面。光偏转装置将激光束朝测量区域偏转、并将物体的反射激光束朝镜子偏转。旋转驱动装置使光偏转装置旋转，从而将激光束导向测量区域。
Description
本申请是2008年2月13日提交的发明名称为“测量物体方向和距离的激光雷达设备”的200810009609.X号中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种激光雷达设备和方法，用于利用激光束测量物体方向和从激光雷达设备到物体的距离。
背景技术
作为一种能测量物体方向和从激光雷达设备到物体的距离的激光雷达设备，具有例如Hoashi等人在日本专利No.2789741中披露的公知设备。
Hoashi等人的激光雷达设备包括发射作为进入测量区域的输出光的激光束或激光脉冲的激光束发生装置，输出光具有光轴，检测在输出光由位于测量区域的物体反射之后到达并作为输入光的反射激光束或反射激光脉冲的光检测装置，允许输出光从其中透过而禁止输入光透过的光频隔离器，以及电控单元(ECU)。激光束发生装置是例如产生包括激光束和激光脉冲的激光发射的激光雷达二极管。光检测装置是例如将入射激光束或入射激光脉冲转换成电流的光电二极管，该电流是入射激光束或入射激光脉冲的强度的函数。光频隔离器反射输入光，光频隔离器反射的输入光被导向光检测装置。为了实现这些功能，光频隔离器优选地位于输出光的光轴上。根据输出激光束和输入激光束的相位差、或者利用光速计算激光脉冲发射和接收之间的飞行时间，电控单元(ECU)计算从设备到物体的距离，如果存在物体的话。此外，Hoashi等人的激光雷达设备包括凹面镜，凹面镜将输出光朝测量区域偏转、并将物体反射回来的输入光朝光检测装置偏转。此外，凹面镜设置成旋转高达360度，使得水平方向的角扫描范围可以达到高达360度。需要注意的是，在Hoashi等人的光学激光器中，投射光学系统包括激光束发生装置、光频隔离器和凹面镜，光检测系统包括凹面镜和光频隔离器。投射光学系统和光检测装置部分同轴地设置。更详细地，光频隔离器和物体之间的输出光和输入光的轴线是相同的。
如上所述，Hoashi等人的激光雷达设备或者类似类型的激光雷达设备，输出光和输入光的轴线相同，光频隔离器设置成位于输出光和输入光共同的轴线上。激光束发生装置发射的输出光通过光频隔离器，但物体反射回来的输入光被光频隔离器反射。一般地，在激光束或激光脉冲分别通过光频隔离器和由光频隔离器反射的过程中都可以造成激光束或激光脉冲衰减。因此，在激光束或激光脉冲分别通过光频隔离器和由光频隔离器反射的过程中束分裂效率降低。这导致激光雷达设备一些元件的特殊结构，例如，具有较大镜板而扩大有效光接收面积以提高束分裂效率的较大镜子。这与减小设备尺寸的趋势相冲突。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种激光雷达设备，它具有改进的束分裂效率、以及提高检测物体方向和从设备到物体的距离的准确性，并且由于投射光学系统和光检测系统的同轴结构，不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。
根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达设备，该激光雷达设备测量物体的距离和到物体的方向，物体处于激光雷达设备的测量区域。该激光雷达设备包括激光束发生装置、光检测装置、镜子组件、光偏转装置以及旋转驱动装置。激光束发生装置产生具有轴线的激光束，并将激光束朝测量区域发射。光检测装置检测被位于测量区域的物体反射回来的反射激光束。镜子组件包括通孔以及反射面。通孔穿过镜子组件与从激光束发生装置发射的激光束的轴线同轴，并且使激光束发生装置发射的激光束透过。反射面布置成与激光束发生装置发射的激光束的轴线成预定角度、并将从物体反射的反射激光束朝光检测装置反射。光偏转装置将激光束发生装置发射的激光束朝测量区域偏转，并将位于测量区域的物体反射回来的激光束朝镜子组件偏转，其中，光偏转装置具有旋转轴线和镜面。旋转驱动装置使光偏转装置绕光偏转装置的旋转轴线旋转，使得光偏转装置的镜面转动到沿着测量区域的方向朝向。
根据本发明的另一个方面，一种用于测量处于激光雷达设备的测量区域的物体的距离的方法包括如下步骤：产生具有轴线的激光束、并将激光束朝测量区域发射；将激光束分裂成导向测量区域的第一激光束和导向光检测装置的第二激光束；通过光检测装置检测第二激光束以估计第二激光束的强度；根据第二激光束的强度估计激光束发生装置的输出功率；将激光束发生装置的估计输出功率与基准值进行比较；根据比较结果调节激光束发生装置的输出功率；通过镜子组件的反射面将来自物体的反射第一激光束反射到光检测装置；通过光检测装置检测来自物体的反射第一激光束；以及根据输出激光束与输入激光束的相位差、或者利用光速计算激光束的发射和接收之间的飞行时间计算从激光雷达设备到物体的距离。
附图说明
从下面给出的详细描述以及从本发明优选实施例的附图，可以更加完全地理解本发明，这不能认为是将本发明限制在这些具体的实施例，而是应该认为是仅仅为了解释和理解的目的。
在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的激光雷达设备的示意图；
图2是根据图1所示的第一实施例的激光雷达的具有通孔的镜子的示意图；
图3是图2所示镜子的剖视图和仰视图；
图4是根据本发明第二实施例的激光雷达设备的示意图；
图5是根据图4的第二实施例的包括半镀银镜子的激光雷达的镜子组件的剖视图和仰视图；
图6是解释激光输出控制装置执行的激光二极管的反馈控制操作的流程图，该操作调节图4所示激光雷达的激光二极管的激光束输出强度；
图7是根据本发明第二实施例的修改的激光雷达的镜子的剖视图；
图8是根据本发明第三实施例的激光雷达设备的示意图；
图9是根据本发明第四实施例的激光雷达设备的示意图；
图10是根据本发明第四实施例的激光雷达的光束变换装置透射的以及凹面镜平反射部分偏转的输出光的投影图；
图11是根据第四实施例的激光雷达中使用的凹面镜的示意图；
图12是根据本发明第五实施例的激光雷达设备的示意图；
图13是根据本发明第五实施例的激光雷达的衍射光栅件透射的以及凹面镜平面镜部分偏转的输出光的投影图；
图14是根据本发明第六实施例的激光雷达设备的示意图；
图15是根据本发明第六实施例的激光雷达的衍射光栅件透射的以及凹面镜平面镜部分偏转的输出光的投影图；以及
图16是现有激光雷达的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图解释本发明的优选实施例。相同的构成部分在所有附图中用相同的参考标号表示。
第一实施例
参看图1-3，下面将描述根据本发明第一实施例的激光雷达设备。
图1是根据本发明第一实施例的激光雷达设备100的示意图。
根据图1所示，激光雷达设备100包括激光二极管10和光电二极管20。激光雷达设备100被设计成根据激光二极管10发射的输出光L0与物体反射回来并被光电二极管20接收的输入光L3的相位差、或者利用光速计算输出光L0发射和输入光L3接收之间的飞行时间检测到位于测量区域中的物体的方向，如果物体存在的话，以及检测从激光雷达设备到物体的距离。在此实施例中，激光二极管10发射激光脉冲。
响应于图1中未图示的激光二极管控制器的命令信号，激光二极管10发射具有轴线的激光脉冲，作为进入测量区域的输出激光束L0。激光束发生装置包括激光二极管10和未示出的激光二极管控制器。激光二极管控制器通过向激光二极管10发送命令信号控制激光二极管10的运行。在从激光二极管10发射激光脉冲的情况下，命令信号含有电流脉冲信号。
光电二极管20相当于光检测装置。输出激光束L0被处于测量区域的物体反射，形成反射激光束或输入激光束L3。接着，反射的激光束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的强度的函数。在此实施例中，物体反射的激光束的仅仅一部分，在物体表面上反射角接近0度的这部分激光束能返回到激光雷达设备，如图1的平行线L3所示。物体反射的其它部分激光束不能被检测，因为在物体表面的反射角偏离0度。
激光雷达设备100还包括光学透镜60和镜子组件300。光学透镜60和镜子组件300都设置成与输出激光束L0的中心轴线同轴。
光学透镜60是一种准直透镜，它将激光二极管10发射的激光束L0转变成平行光线的激光脉冲。光学透镜60相当于激光束准直装置。
在此实施例中，镜子组件300对应于镜子30。镜子30基本形成为具有两个表面的板。镜子30具有相当于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31设置成与输出激光束L0的轴线成预定角度。通孔32具有中心轴线并穿透镜子30，使得通孔32的中心轴线与反射面31交叉。根据本发明的激光雷达设备100布置成使得输出激光束L0和输入激光束L3同轴。镜子30布置成使输出激光束L0通过通孔32。即，输出激光束L0通过通孔32，而输入激光束L3被镜子30反射。通孔32和输出激光束L0具有公共轴线。此外，镜子30的反射面31反射输入激光束L3，使其朝向光电二极管20。镜子组件300相当于光束隔离装置。
根据此实施例的激光雷达设备100还包括旋转装置400。旋转装置400布置成可以绕旋转轴线旋转，旋转轴线与输出激光束L0的轴线相同，使得在水平方向的角扫描范围可以高达360度。旋转装置400包括凹面镜401，它将输出激光束L0朝测量区域偏转、并将物体反射回来的输入激光束L3朝镜子30偏转。凹面镜401的焦点在旋转装置400的旋转轴线上。旋转装置400是具有凹形表面的装置的一个例子。凹形表面是凹面镜401。旋转装置400的旋转角决定将被检测物体的方向。凹面镜401相当于包括具有凹形表面的装置的光偏转装置。
为了驱动旋转装置400执行连续的旋转运动，提供电机50。电机50具有驱动旋转装置400和凹面镜401的输出轴51。电机50是旋转驱动装置的一个例子。步进电机可以作为电机50。在步进电机中，将整个旋转分成多个步长。如果将步进电机控制成每个步长具有非常小的旋转角度，就可以使旋转装置400高分辨率地进行旋转运动。因此，可以实现准确测定物体的方向。此外，也允许使用除步进电机以外的其它类型的电机作为电机50。例如，也可以使用伺服电机。如果使用轴以恒定速度旋转的电机作为电机50，就容易计算旋转装置400指向测量区域时所需的时间。因此，激光二极管控制器的运行模式是，将电流脉冲作为命令信号输出到激光二极管10的时刻与电机轴的旋转角度达到所需数值时的到达时刻同步。结果，激光二极管10以精确时刻发射输出激光束L0，以在所需方向检测物体。因此，可以快速地计算物体的方向和到物体的距离。在此实施例中，为了检测电机50的旋转角度，提供旋转角度传感器52，并将其连接到电机50。将电机50的输出轴51的角度转换成模拟或数字电信号的旋转编码器可以作为旋转角度传感器52的一个例子。如上所述，可以接受任何类型的电动机作为电机50。
并且，在此实施例中，提供外壳3以容纳激光二极管10、光电二极管20、镜子组件300、光学透镜60和旋转装置400。这样，可以防止这些元件暴露在灰尘中或受到物理冲击。外壳3具有光学窗口4，输出激光束L0和输入激光束L3可以通过光学窗口分别从设备100发射出去和进入设备100。因此，光学窗口4与凹面镜401在竖直方向上对齐。光学窗口4环绕凹面镜401，并具有环形形状，其中心位于输出激光束L0的中心轴线与环形光学窗口4的横截面交叉的点上。光学窗口4由例如透明玻璃的透明板5覆盖，以便防止设备100的凹面镜401和其它元件暴露在灰尘中。透明板5设置成一角度，该角度与输出激光束L0和输入激光束L3的轴线成直角的角度略微偏离。因此，即使输出激光束L0被透明板5反射，反射的输出激光束也不会具有与输出激光束L0和输入激光束L3相同的轴线。因此，透明板5反射输出激光束L0不会产生干扰测定物体到设备100的距离的任何噪音。
下面参看图2和3，详细讨论此实施例中相当于镜子30的镜子组件300。
图2是根据图1所示第一实施例的激光雷达设备100的具有通孔32的镜子30的示意图。
如图2所示，镜子组件300的镜子30的形状类似于一块板，它具有一个表面33以及与此表面33相反的另一个未图示表面31。镜子30的表面31对应于反射面。在表面31的中心附近形成通孔32，从而从表面33到相反表面31穿透镜子40。
图3是图2所示镜子30的剖视图和俯视图。
在此实施例中，通孔32形成为使得输出激光束L0穿过通孔32，即通孔32的中心轴线设置成与输出激光束L0的中心轴线相同。从图3可以看出，通孔32在此实施例中是空的。
如图3所示，通孔32形成为具有轴线的管状。通孔32的轴线与输出激光束L0的轴线重合。通孔32沿着其轴线具有圆形横截面34。即，如果通孔32投影到垂直输出激光束L0中心轴线的平面上，如图3所示，则通孔32的投影图像是中心在点X1的圆34，点X1是输出激光束L0的横截面的中心。通孔32具有恒定的直径D1。通孔32可以具有诸如椭圆形等的其它形状的横截面。
如上所述，在根据此实施例的激光雷达设备100中，激光二极管10、镜子30的通孔32和光学透镜60设置成与输出激光束L0的中心轴线同轴。光学透镜60将激光二极管10发射的激光束转换成激光脉冲的平行光线。通孔32的直径D1根据激光二极管10和光学透镜60的光学特性确定。例如，将通孔32的直径D1定为略大于由光学透镜60准直的平行光线激光脉冲的直径。反之，允许光学透镜60设计成使激光二极管10发射的激光束准直，使其最大宽度小于通孔32的直径D1。根据镜子30的通孔32或光学透镜60的这种设计，可以防止输出光L0从镜子30的表面33的任何反射。
此外，允许在激光雷达设备100中，镜子组件还包括未图示的光学元件，用于将激光束发生装置10发射的输出激光束L0朝测量区域透射、以及将位于测量区域的物体反射回来的输出激光L3经过光偏转装置41反射。在这种情况下，镜子组件30的通孔32至少部分地被光学元件覆盖。优选地，光学元件是由具有高的光透过率的材料制成。
下面解释激光雷达设备100的操作。
首先，激光二极管控制器将命令信号发送到激光二极管10。命令信号含有例如电流脉冲，电流脉冲使激光二极管10输出与电流脉冲成比例的激光脉冲L0。即，从激光二极管10发射宽度与电流脉冲成比例的激光脉冲L0。从激光二极管10发射的激光脉冲L0在其行进过程中将稍微漫射，因为激光脉冲L0在其刚刚从激光二极管10射出之后具有初始漫射角。
接着，将激光脉冲L0通过光学透镜60转换成平行激光脉冲L0。
由光学透镜60准直的激光脉冲L0的平行光线穿过镜子30的通孔32。
接着，穿过镜子30的通孔32的激光脉冲L0的平行光线变成入射到凹面镜401的入射激光脉冲L0。
凹面镜401使入射激光脉冲L0偏转，并且从凹面镜401反射的激光脉冲L0从激光雷达设备100朝测量区域射出以检测物体。
如果在测量区域具有某一物体，则物体反射从设备100射出的激光脉冲L0。在物体表面反射角几乎为零的一部分激光脉冲作为输入激光束L3被反射回设备100。
在通过光学窗口之后，输入激光束L3或输入激光脉冲L3被凹面镜401偏转。在这种情况下，凹面镜401作为聚光透镜，它将输入激光束L3聚集到镜子30，使得其横截面的面积减小直到所有输入激光束L3可被镜子30捕获。来自凹面镜401的偏转激光束L3被镜子30反射。接着，输入激光束L3进入光电二极管20。偏转的激光束L3被光电二极管20检测并转换成电信号，电信号的幅度是反射激光束L3强度的函数。
在此结构中，测量在输出激光束L0从激光二极管10发射的时刻与输入激光束L3被光电二极管20捕获的时刻之间的飞行时间，以便利用光速获得处于测量区域并反射输出激光束L0的物体到设备100的距离。物体的方向是根据驱动凹面镜401的电机50的旋转角度直接得到的。
激光雷达设备的优点
图16是现有的激光雷达设备900的示意图。
类似于根据此实施例的激光雷达设备100，公知的激光雷达设备900包括激光二极管901、光电二极管902、光频隔离器903、凹面镜904、电机905、光学窗口906、外壳907、第一狭缝908、第二狭缝909和第三狭缝910。设备900设计成，根据激光二极管901朝测量区域发射激光束的时刻与光电二极管902检测物体反射的激光束的时刻之间的飞行时间，利用光速检测物体的距离。物体的方向通过电机905的旋转角度确定。
激光二极管901发射具有预定漫射角的激光束。光频隔离器902使激光二极管901发射的激光束通过。凹面镜904将从激光二极管901射出经过光频隔离器903的激光束朝测量区域偏转。如果测量区域内存在物体，反射的激光束从物体返回。从物体反射的激光束通过凹面镜904偏转。由于凹面镜904具有激光二极管901，从物体反射的激光束通过光频隔离器903朝光电二极管902偏转。
激光二极管901、光电二极管902、光频隔离器903、凹面镜904和电机905装在外壳907内，外壳907具有光学窗口906。激光束经过光学窗口906发射到测量区域，并被测量区域中的物体反射返回。
在设备900中，在激光束透过光频隔离器和激光被光频隔离器反射的过程中都造成激光束的衰减。
与设备900的情况相比，激光雷达设备100不使用光频隔离器。
如上所述，在激光雷达设备100中具有以预定角度设置的镜子30，例如，相对输出激光束L0的轴线成45度的角度设置。并且，镜子30具有通孔32，输出激光束L0经过它不会有任何强度损失。并且，镜子30具有将输入激光束L3朝光电二极管20反射的反射面31。因此，根据本发明的激光雷达设备100的镜子30改善了输出激光束L0的发射和输入激光束L3的反射过程中的光损失特性。作为镜子30的光损失特性的改进结果，检测物体到设备100的距离的准确性也得到有效提高。特别是，在此实施例中，镜子30的通孔32是空的，这有效改善了在经过镜子30的过程中造成的输出激光束L0的损失或衰减。并且，在此实施例中，输入激光束L3是从镜子30的反射面31反射的。因此，尽管由于通孔32仍造成输入激光束L3的一定强度损失，仍可以实现输入激光束L3从镜子30反射面31的近乎完美反射。而在光频隔离器中不可能实现近乎完美的反射。因此，这有效改善了输入激光束L3在设备100中行进过程中的衰减。
并且，在此实施例中，镜子的通孔32设计成，如果将通孔32投影到垂直输出激光束L0中心轴线的平面上，通孔32的投影图像是中心处于点X1的圆形，如图3所示。因此，具有最大光强度的输出激光束L0的中心部分通过通孔32没有任何强度损失。因此，可以有效地改善设备100的光损失特性。
并且，在此实施例中，具有在激光二极管10与镜子30的通孔32之间、并且设置成与输出激光束L0的中心轴线同轴的的光学透镜60。因此，在经过镜子30的通孔32的过程中，输出激光束L0是由没有漫射角的激光脉冲的平行光线构成，因为从激光二极管10发射的漫射激光束脉冲被光学透镜60转换成平行激光脉冲L0。这导致通孔32的最小直径D1，并且改善了镜子30在反射输入激光束L3时的光损失特性。因此，可以使镜子30反射造成的输入激光束L3的强度损失最小。
如果将投射光学系统定义为包括激光二极管10、电机50、光学透镜60、镜子30和凹面镜401的组件，将光检测系统定义为包括凹面镜401、镜子30、电机50和光电二极管20的组件，则根据此实施例的激光雷达设备100具有改进的束分裂效率，提高了检测物体方向和距离的准确性，而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸，因为投射光学系统和光检测系统是同轴结构。
第二实施例
参看图4-7，下面将描述根据本发明第二实施例的激光雷达设备。
图4是根据本发明第二实施例的激光雷达设备100A的示意图。
在此实施例中，与前一个实施例的差别在于存在束分裂装置80以及操作控制器82和存储器84的改进方法。因此，下面将省略与前一个实施例所使用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
如图4所示，根据本发明的激光雷达设备100A包括镜子组件300A、控制器82和存储器84。控制器82和存储器84分别相当于控制装置和存储装置。在此实施例中，投射光学系统包括作为激光束发生装置的元件的激光二极管10、作为旋转驱动装置的电机50、作为准直装置的光学透镜60、镜子组件300A、以及作为光偏转装置的凹面镜401；光检测系统包括作为光偏转装置的凹面镜401、镜子组件300A、作为光检测装置的元件的光电二极管20、以及作为旋转驱动装置的电机50。
镜子组件300A包括镜子30和半镀银镜子80。
像在第一实施例的情况下，镜子30成预定角度布置，例如，相对输出激光束L0的轴线成大约45度的角度。并且，镜子30具有通孔32，输出激光束L0经过它不会有任何强度损失。半镀银镜子80至少部分地覆盖通孔32。并且，镜子30具有将输入激光束L3朝光电二极管20反射的反射面31。输出激光束L0透过镜子组件300A的半镀银镜子80。半镀银镜子80将输出激光束L0分裂成第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。即，输出激光束L0的一部分透过镜子组件300A的半镀银镜子80，而输入激光束L3被镜子30偏转。在透过镜子组件300A之后，第一输出激光束L1具有与输出激光束L0相同的轴线。镜子30基本是由具有两个表面的板形成。镜子30具有对应于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31与输出激光束L0的轴线形成预定角度。通孔32具有中心轴线并穿透镜子30，使通孔32的中心轴线与反射面31相交。
并且，类似于第一实施例的情况，旋转装置400设计成绕与第一输出激光束L1的轴线相同的旋转轴线旋转，从而在水平方向的角扫描范围可以达到高达360度。旋转装置400包括凹面镜401，它将第一输出激光束L1朝测量区域偏转并将物体反射回来的输入激光束L3朝镜子30偏转。凹面镜401的焦点位于旋转装置400的旋转轴线上。
与第一实施例的情况相比，镜子组件300A包括作为束分裂装置的半镀银镜子80。半镀银镜子80布置成与输出激光束L0的轴线同轴，即与通孔32的轴线同轴。
图5是根据图4的第二实施例的具有半镀银镜子80的激光雷达的镜子组件300A的剖视图和仰视图。
如图5所示，根据此实施例的镜子组件300A将输出激光束L0分成第一输出激光束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具有与第一实施例的输出激光束L0相同的光路。即，第一输出激光束L1入射到凹面镜401。
如图5所示，通孔32形成为具有轴线的管状。通孔32的轴线与输出激光束L0的轴线重合。这意味着通孔32的轴线与第一输出激光束L1的轴线重合。通孔32沿着其轴线具有圆形横截面34。即，如果通孔32如图5所示投影到垂直第一输出激光束L1的轴线的平面上，则通孔32的投影图像是中心在点X1的圆34，点X1是第一输出激光束L1的横截面的中心。通孔32具有恒定的直径D1。通孔32可以具有诸如椭圆形等的其它形状的横截面。
半镀银镜子80覆盖通孔32。在该实施例中，如图5所示，通过将银镜子80投影到垂直第一输出激光束L1的轴线的平面上获得的半镀银镜子80的投影图像具有圆形形状。即，半镀银镜子80具有大体椭圆形形状，因为布置成以这种方式倾斜的椭圆在投影到水平面上时具有圆形投影图像。
并且，由半镀银镜子80分裂的第二输出激光束L2被导向光电二极管20并通过光电二极管20检测，以便测量其强度。由光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度与激光二极管10发射的输出激光束L0的强度有关。因此，如果采用反馈控制操作来控制激光二极管10，则输出激光束L0的强度可以调节到合适值。在此实施例中，控制器82和存储器84执行反馈控制操作，以控制激光二极管10。
控制器82可以由具有中央处理器(CPU)的微计算机构成。存储器84可以由诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、永久性存储器等的存储器构成。控制器82和存储器84构成调节激光二极管10的输出激光束L0的输出强度的输出强度调节装置的一个例子。
控制器82执行反馈控制操作，此反馈控制操作由存储在存储器84中的计算机程序限定。反馈控制操作包括以下步骤：根据第二输出激光束L2的强度估计激光二极管10的输出激光束L0的输出强度、将输出激光束L0的输出强度与基准值对比、以及校正输出激光束L0的输出强度。反馈控制操作是以预定间隔、或者仅仅当满足预定条件时开始执行，例如设备100A的操作员打开控制设备的开关时开始执行。
图6是解释控制器82和存储器84执行的激光二极管10反馈控制操作的流程图，该反馈控制操作调节激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。
在步骤S10，估计激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。更具体地，由于光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度与激光二极管10发射的输出激光束L0的输出强度有关，因此根据光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度可以得到激光二极管10的输出激光束L0的输出强度。
接着，在步骤S20，将激光二极管10的输出激光束L0的输出强度的估计值与基准值对比。更具体地，判断光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度是否大于阈值。第二输出激光束L2的强度的阈值取决输出激光束L0的输出强度的基准值。一般地，激光二极管10的输出激光束L0的输出强度正比于光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度。换句话说，如果第二输出激光束L2的强度大于阈值，则输出激光束L0的输出强度大于基准值。因此，如果输出激光束L0的输出强度大于基准值，则在步骤S20的判断结果是“否”，程序执行到步骤S30。
在步骤S30，通过减小控制器82控制的命令信号的幅度，校正输出激光束L0的输出强度。命令信号是由激光二极管驱动模块供应的，激光二极管驱动模块在图4中未图示，它连接到激光二极管10、控制器82和存储器84。作为这个步骤操作的结果，输出激光束L0的输出强度减小，并变成允许范围以内。接着，程序执行到步骤S10。
与这种情况相反，如果输出激光束L0的输出强度小于或等于基准值，则在步骤S20的判断结果为“是”，则结束激光二极管10的反馈控制操作。
在此实施例中，镜子组件300A的束分裂装置80将输出激光束L0分裂成第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。束分裂装置80包括半镀银镜子。第一输出激光束L1入射到凹面镜401，而第二输出激光束L2射向光电二极管20。
并且，根据光电二极管20检测的第二输出激光束L2强度，执行反馈控制操作以调节输出激光束L0的输出强度。
因此，可以根据输出激光束L0的实际输出强度恰当地调节输出激光束L0的输出强度。并且，如果束分裂装置80由半镀银镜子构成，可以有效分裂输出激光束L0。因此，根据此实施例的激光雷达设备100A得到改进的束分裂效率，并提高物体方向和距离的检测准确性，并且由于投射光学系统和光检测系统的同轴结构而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。
第二实施例的修改
参看图7，下面解释根据第二实施例的修改的激光雷达设备。
图7是根据第二实施例的修改的镜子组件300B的剖视图。
在第二实施例的修改中，与第二实施例的差别仅是利用镜子组件300B代替镜子组件300A。因此，将省略与先前实施例中所用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
如图7所示，辅助镜子90设置在镜子组件300B中，以将输出激光束L0分成第一输出激光束L1和第二输出激光束L2。在这种情况下，分光装置包括辅助镜子90。辅助镜子90设计成阻挡穿过镜子30的通孔32的一部分输出激光束L0。此外，辅助镜子90连接到镜子30，使得第一输出激光束L1射入到凹面镜401，而第二输出激光束L2射向光电二极管20。因此，在根据第二实施例修改的激光雷达设备中，将得到与先前实施例相同的优点。
第三实施例
参看图8，下面将描述根据本发明第三实施例的激光雷达设备100B。
图8是根据本发明第三实施例的激光雷达设备100B的示意图。
在此实施例中，与第一实施例的差别在于具有第一狭缝93的第一盖件92以及具有第二狭缝96的第二盖件95。因此，将省略与第一实施例中所用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
如在第一实施例中的情况一样，镜子30成预定角度设置，例如，相对输出激光束L0的轴线成45度的角度。并且，镜子30具有通孔32，输出激光束L0由此经过而没有任何强度损失。并且，镜子30具有将输入激光束L3朝光电二极管20反射的反射板31。镜子30基本是由具有两个表面的板形成的。镜子30具有对应于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31与输出激光束L0的中心轴线形成预定角度。镜子30基本由具有两个表面的板形成。镜子30具有对应于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31与输出激光束L0的轴线形成预定角度。通孔32具有其中心轴线并穿透镜子30，使通孔32的中心轴线与反射面31相交。
并且，类似于第一实施例的情况，旋转装置400布置成绕与输出激光束L0的轴线相同的旋转轴线旋转，从而在水平方向的角扫描范围可以达到高达360度。旋转装置400包括凹面镜401，它将输出激光束L0朝测量区域偏转并将物体反射回来的输入激光束L3朝镜子30偏转。凹面镜401的焦点位于旋转装置400的旋转轴线上。
根据此实施例的激光雷达设备100B包括具有第一狭缝93的第一盖件92、具有第二狭缝96的第二盖件95、以及固定第二盖件95的框架件94。
第一盖件92设置成与输出激光束L0和输入激光束L3同轴。更详细地，第一盖件92位于镜子组件300的镜子30与凹面镜401之间。第一盖件92形成为基本具有板形，并固定在外壳3上，使第一盖件92至少与激光二极管10和电机50保持固定距离。第一盖件92的第一狭缝93的内周壁是具有中心轴线的圆柱形。即，第一狭缝93是在第一盖件92中形成的圆柱形孔。优选地，第一狭缝93的中心轴线与输出激光束L0的中心轴线同轴。但是，还允许第一狭缝93的中心轴线与输出激光束L0的中心轴线平行但偏离。
第二盖件95设置为与从镜子30反射的输入激光束L3同轴。因此，第二盖件95位于镜子30与光电二极管20之间。第二盖件95形成为基本具有板形，并由框架件94以及被外壳3直接支撑的第一盖件92固定。第二盖件95还被固定以与镜子30保持相对位置。第二盖件95的第二狭缝96的内周壁是具有中心轴线的圆柱形。即，第二狭缝96是在第二盖件95中形成的圆柱形孔。如果在镜子30和光电二极管20之间行进的输入激光束的轴线97被限定，则狭缝95的中心轴线与镜子30和光电二极管20之间行进的输入激光束的轴线97同轴。
除了具有图1所示激光雷达设备100中包括的镜子组件300的构成部分之外，在图8所示的激光雷达设备100B中包括具有第一狭缝93的第一盖件92和具有第二狭缝96的第二盖件95。但是，也可以使用图4和5所示的镜子组件300A，而不是图2-3所示的镜子组件300。
在根据此实施例的激光雷达设备100B中，包括具有第一狭缝93的第一盖件92和具有第二狭缝96的第二盖件95。因此，由于通过第一盖件92和第二盖件95阻挡输出激光束L0和输入激光束L3偏离恰当光路的部分，可以改进光谱效率并提高检测物体方向和距离的准确性。
此外，由于圆柱形第一和第二狭缝93和96，可以得到有效阻挡特性，以阻挡输出激光束L0和输入激光束L3偏离恰当光路的部分。
因此，根据此实施例的激光雷达设备100B得到改进的光谱效率，并提高物体方向和距离的检测准确性，并且由于投射光学系统和光检测系统的同轴结构而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。因此，在根据此实施例的激光雷达设备100B中可以得到与先前实施例相同的优点。
第四实施例
参看图9，下面描述根据本发明第四实施例的激光雷达设备100C。
图9是根据本发明第四实施例的激光雷达设备100C的示意图。
在此实施例中，与第一实施例的差别在于旋转装置400A与图4所示的具有凹面镜401的旋转装置30的不同结构，以及存在作为光束转换装置的光学元件500。旋转装置400A包括凹面镜410，凹面镜410包括具有凹形镜面411a的凹反射部分411以及具有平镜面412a的平反射部分412。因此，将省略与第二实施例中所用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
如图9所示，根据此实施例的激光雷达设备100C包括镜子组件300A、控制器82和存储器84。在此实施例中，投射光学系统包括作为激光束发生装置的元件的激光二极管10、作为旋转驱动装置的电机50、作为准直装置的光学透镜60、镜子组件300A、以及作为光偏转装置的凹面镜410；光检测系统包括作为光偏转装置的凹面镜410、镜子组件300A、作为光检测装置的元件的光电二极管20、以及作为旋转驱动装置的电机50。
镜子组件300A包括镜子30和半镀银镜子80。
如上所述，镜子30成预定角度设置，例如，相对输出激光束L0的轴线成大约45度的角度。并且，镜子30具有通孔32，输出激光束L0经过它不会有任何强度损失。并且，镜子30具有将输入激光束L3朝光电二极管20反射的反射面31。由镜子30透过的输出激光束L0变成第一输出激光束L1，而输入激光束L3被镜子30反射。在透过镜子组件300A之后，第一输出激光束L1具有与输出激光束L0相同的轴线。镜子30基本由具有两个表面的板形成。镜子30具有对应于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31与输出激光束L0的轴线形成预定角度。通孔32具有其中心轴线并穿透镜子30，使通孔32的中心轴线与反射面31相交。
根据此实施例的镜子组件300A将输出激光束L0分裂成第一输出激光束L1和第二输出激光束L2，如图5所示。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入射到凹面镜410。并且提供外壳3，用于装激光二极管10、光电二极管20、镜子组件300、光学透镜60和旋转装置400A。外壳3具有光学窗口4，第一输出激光束L1和输入激光束L3可以通过它分别从设备100发射出去和进入设备100。光学窗口4由例如透明玻璃的透明板5覆盖，以便防止设备100的凹面镜401和其它元件暴露在灰尘中，如根据上述第二实施例的设备100A一样。
并且，根据此实施例的激光雷达设备100C包括旋转装置400A。旋转装置400A布置成绕与第一输出激光束L1的轴线相同的旋转轴线旋转，从而在水平方向的角扫描范围可以达到高达360度。旋转装置400A包括凹面镜410，凹面镜410将第一输出激光束L1朝测量区域偏转并将物体反射回来的输入激光束L3朝镜子30偏转。凹面镜410对应于光偏转装置。
为了驱动旋转装置400A执行连续的旋转运动，提供电机50。电机50具有驱动旋转装置400和凹面镜410的输出轴51。电机50对应于旋转驱动装置。为了检测电机50的旋转角度，提供旋转角度传感器52，它连接到电机50。
旋转装置400A的结构与第一实施例中给出的旋转装置400不同。即，与旋转装置400的情况相比，此实施例中使用的旋转装置400A包括凹面镜410，其结构与图1所示的凹面镜401不同。凹面镜410产生由透过光学元件500的第一输出激光束L1的如图10所示的第一输出激光束L1的投影图案。
图11是在此实施例中使用的旋转装置400A的示意图。
如图11所示，旋转装置400A具有凹面镜410。凹面镜410包括具有凹形镜面411a的凹反射部分411以及具有平镜面412a的平反射部分412。凹面镜410的表面由平反射部分412的平镜面412a和凹形镜面411a覆盖，使平镜面412a被凹形镜面411a包围。并且，平镜面412a的设计使激光二极管10发射的第一输出激光束L1射到平镜面412a并被平镜面412a反射。即，凹面镜410的平镜面412a设置成与第一输出激光束L1的轴线同轴。
旋转装置400A具有旋转轴线51a，它形成为电机50的输出轴51的轴线。旋转轴线51a与输出激光束L0和第一输出激光束L1在激光二极管10与凹面镜410之间的部分轴线对齐。凹面镜401的凹反射部分411的焦点在旋转装置400A的旋转轴线51a上。因此，在物体反射回来的输入激光束L3被凹面镜410的凹反射部分411反射之后，输入激光束L3会聚到位于旋转轴线51a上的焦点。
如图10所示，凹面镜410的平反射部分412在垂直旋转轴线51a的平面上的投影图像是圆形。即，当具有旋转装置400A的激光雷达设备100C设置在水平面上时，第一输出激光束L1沿着水平方向从激光雷达设备100C发出。因此，如果在测量区域中准备一个垂直面F、并且第一输出激光束L1入射到垂直面F上，第一输出激光束L1的强度的分布具有圆形形状，如图10所示。
并且，如图9所示，根据此实施例的激光雷达设备100C包括作为光束转换装置的光学元件500。光学元件500位于输出激光束L0在激光二极管10与设备100C外部的测量区域之间的轴线上。
光学元件500包括透射型衍射光栅。输出激光束L0透过光学元件500，并转换成具有预定投影图案，该预定投影图案覆盖比由光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面大的横截面。入射到光学元件500的激光束是光学透镜60准直的平行光线激光束。在光学元件500中，入射激光束散开，使输出激光束L0的直径在穿过光学元件500后增大。因此，与未包括光学元件500的情况相比，在测量区域的物体的目标表面上的照射面积也增大。
图10是表示光学元件500产生的第一输出激光束L1在垂直面F上的示例性投影图案P1的示意图。
当具有旋转装置400A的激光雷达设备100C设置在水平面上、并且第一输出激光束L1沿着水平方向从激光雷达设备100C发出时，获得投影图案P1。因此，如果在测量区域中准备一个垂直面F、并且第一输出激光束L1入射到垂直面F上，第一输出激光束L1的强度的分布具有圆形形状，如图10所示。
在图10中表示出光学元件500产生的环形投影图案P1。在被平反射部分412的平镜面412a偏转之后，环形投影图案P1被绘制到垂直于第一输出激光束L1的轴线的平面F上。环形投影图案P1包括暗区A1和明区A2，其中照射到明区A2的第一输出激光束L1的强度大于照射到暗区A1的第一输出激光束L1的强度。暗区A1被明区A2包围。利用一些公知的光谱技术也可以产生除了环形投影图案P1以外的其它图案。
在此实施例中，通孔32具有圆形横截面，其与第一输出激光束L1的轴线相同，如图5所示。即，如果通孔32投影到垂直于第一输出激光束L1的轴线的平面上，则通孔32的投影图像是圆。通孔32可以具有诸如椭圆形等的其它形状的横截面。
并且，镜子组件300A包括作为束分裂装置的半镀银镜子80。半镀银镜子80设计成与输出激光束L0的轴线同轴，即与通孔32的轴线同轴。镜子组件300A将输出激光束L0分裂成第一输出激光束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具有与第一实施例的输出激光束L0相同的光路。即，第一输出激光束L1入射到凹面镜401。因此，可以执行反馈控制操作，根据光电二极管20检测的第二输出激光束L2的强度，调节输出激光束L0的输出强度，如图4所示。
根据此实施例的激光雷达设备100C具有前面实施例可以达到的相同优点。激光雷达设备100C还具有位于在激光二极管10与测量区域之间的输出激光束L0的轴线上的光学元件500。输出激光束L0透过光学元件500，并转换成具有预定投影图案，该预定投影图案覆盖比由光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面大的横截面。因此，物体反射回来的输入激光束L3的分布被设计成防止输入激光束L3进入通孔32。因此，可以有效防止输入激光束L3在穿过镜子组件300A的过程中造成的损失或衰减。
并且，在激光雷达设备100C中，具有凹形表面的凹面镜342将激光二极管10发射的第一输出激光束L1朝设备100C外部的测量区域偏转，并且如果存在物体的话，将来自测量区域的物体的输入激光束L3朝镜子30偏转。因此，根据此实施例的激光雷达设备100C具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性，而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。并且，凹面镜410包括具有平镜面412a的平反射部分412，其设计使激光二极管10发射的输出激光束L0射到平镜面412a并被平镜面412a反射。因此，可以防止当第一输出激光束L1被凹面镜410偏转时引起的漫射现象。因此，激光雷达设备100C具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性。
并且，设备100C包括位于激光雷达10与镜子组件300A的通孔32之间的输出激光束L0的轴线上的光学元件500。在这种结构中，仅仅输出激光束L0进入光学元件500。即，输入激光束L3不透过光学元件500。这样，光学元件500不会使输入激光束L3衰减。因此，激光雷达设备100C具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性。
并且，光学元件500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500中，入射激光束散开，使输出激光束L0的直径在穿过光学元件500后增大。因此，与未包括光学元件500的情况相比，在测量区域的物体的目标表面F上的照射面积也增大。因此，光束转换装置包括光学元件500。因而，通过光学元件500可以容易和确保实现光束转换装置的功能。
输出激光束L0的预定投影图案包括暗区A1和明区A2，其中照射到明区A2的输出激光束L0的强度大于照射到暗区A1的输出激光束L0的强度。这样，镜子组件300A可以减少输入激光束L3通过通孔32产生的输入激光束L3的损失。因此，激光雷达设备100C具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性。
并且，在根据此实施例的激光雷达设备100C中，可以得到与前面实施例相同的优点。
第五实施例
参看图12-13，下面将描述根据本发明第五实施例的激光雷达设备100D。
图12是根据本发明第五实施例的激光雷达设备100D的示意图。
在此实施例中，与第一实施例的差别在于旋转装置400B与第四实施例所用的旋转装置400A的不同结构，以及不存在作为设备100C中包括的光束转换装置的光学元件500。旋转装置400B具有凹面镜420。因此，将省略与第四实施例中所用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
如图12所示，根据此实施例的激光雷达设备100D包括镜子组件300A、控制器82和存储器84。在此实施例中，投射光学系统包括作为激光束发生装置的元件的激光二极管10、作为旋转驱动装置的电机50、作为激光束准直装置的光学透镜60、镜子组件300A、以及作为光偏转装置的凹面镜420；光检测系统包括作为光偏转装置的凹面镜420、镜子组件300A、作为光检测装置的元件的光电二极管20、以及作为旋转驱动装置的电机50。
镜子组件300A包括镜子30和半镀银镜子80。
如第一实施例的情况一样，镜子30成预定角度设置，例如，相对输出激光束L0的轴线成大约45度的角度。并且，镜子30具有通孔32，输出激光束L0经过它不会有任何强度损失。并且，镜子30具有将输入激光束L3朝光电二极管20反射的反射面31。输出激光束L0透过镜子30变成第一输出激光束L1，而输入激光束L3被镜子组件300A的镜子30反射。在透过镜子组件300A之后，第一输出激光束L1具有与输出激光束L0相同的轴线。镜子30基本是由具有两个表面的板形成的。镜子30具有对应于镜子30一个表面的反射面31以及通孔32。反射面31与输出激光束L0的轴线形成预定角度。通孔32具有其中心轴线并穿透镜子30，使通孔32的中心轴线与反射面31相交。
根据此实施例的镜子组件300A将输出激光束L0分裂成第一输出激光束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具有与第一实施例的输出激光束L0相同的光路。即，第一输出激光束L1射到凹面镜420上。并且提供外壳3，用于装激光二极管10、光电二极管20、镜子组件300、光学透镜60和旋转装置400B。外壳3具有光学窗口4，输出激光束L0和输入激光束L3可以通过它分别从设备100发射出去和进入设备100。光学窗口4由诸如透明玻璃的透明板5覆盖，以便防止设备100的凹面镜420和其它元件暴露在灰尘中，像根据上述第二实施例的设备100A一样。
并且，根据此实施例的激光雷达设备100D包括旋转装置400B。旋转装置400B布置成绕与第一输出激光束L1的轴线相同的旋转轴线旋转，从而在水平方向的角扫描范围可以达到高达360度。旋转装置400B包括凹面镜420，凹面镜420将第一输出激光束L1朝测量区域偏转并将物体反射回来的输入激光束L3朝镜子30偏转。凹面镜420对应于光偏转装置。
为了驱动旋转装置400B执行连续的旋转运动，提供电机50。电机50具有驱动旋转装置400B和凹面镜420的输出轴51。电机50对应于旋转驱动装置。为了检测电机50的旋转角度，提供旋转角度传感器52，并将其连接到电机50。
凹面镜420包括具有凹形镜面421a的凹反射部分421以及具有平镜面422a的平反射部分422。凹面镜420的表面由平反射部分422的平镜面422a和凹形镜面421a覆盖，使平镜面412a被凹形镜面421a包围。并且，平镜面422a设计成使第一输出激光束L1射到平镜面422a并被平镜面422a反射。即，凹面镜420的平镜面422a设置成与第一输出激光束L1的轴线同轴。
旋转装置400B具有旋转轴线51a，它形成为电机50的输出轴51的轴线。旋转轴线51a与输出激光束L0在激光二极管10和凹面镜420之间的轴线一致。凹面镜401的凹反射部分421的焦点在旋转装置400B的旋转轴线51a上。因此，在物体反射回来的输入激光束L3被凹面镜420的凹反射部分421反射之后，输入激光束L3会聚到位于旋转轴线51a上的焦点。
并且，在根据此实施例的激光雷达设备100D中，凹面镜420的平反射部分422包括反射型衍射光栅。平反射部分422将第一输出激光束L1朝测量区域反射，并将第一输出激光束L1转换成产生预定投影图案，该预定投影图案覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面大的横截面。入射到平反射部分422的激光束L1是光学透镜60准直的平行光线的激光束。入射激光束散开，使输出激光束L0的直径通过平反射部分422反射后增大。
图13是表示由包括反射型衍射光栅的平反射部分422产生的第一输出激光束L1的示例性投影图案P1的示意图。
当具有旋转装置400B的激光雷达设备100D设置在水平面上、并且第一输出激光束L1沿着水平方向从激光雷达设备100D发出时，获得投影图案P1。因此，如果在测量区域中准备一个垂直面F、并且第一输出激光束L1入射到垂直面F上，第一输出激光束L1的强度的分布具有圆形形状，如图13所示。
在图13中表示出由平反射部分422产生的环形投影图案P1。在被平反射部分422的平镜面422a偏转之后，环形投影图案P1被绘制到垂直于第一输出激光束L1的轴线的平面F上。环形投影图案P1包括暗区A1和明区A2，其中照射到明区A2的第一输出激光束L1的强度大于照射到暗区A1的第一输出激光束L1的强度。暗区A1被明区A2包围，类似于图10所示的情况。
根据此实施例的激光雷达设备100D具有前面实施例可以达到的相同优点。激光雷达设备100D还具有包括反射型衍射光栅的凹面镜420的平反射部分422。平反射部分422位于激光二极管10与测量区域之间的输出激光束L0的轴线上。第一输出激光束L1被凹面镜420的平反射部分422反射，并转换成具有预定投影图案，该预定投影图案覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横面积大的横截面。因此，物体反射回来的输入激光束L3的分布被设计成防止输入激光束L3进入通孔32。因此，可以有效改善输入激光束L3在穿过镜子组件300A的过程中造成的损失或衰减。
并且，在激光雷达设备100D中，作为具有凹形表面的物体的凹面镜442将激光二极管10发射的输出激光束L0朝设备100D外部的测量区域反射，并且如果存在物体的话，将来自测量区域中的物体的输入激光束L3朝镜子30偏转。因此，根据此实施例的激光雷达设备100D具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性，而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。并且，凹面镜420包括具有平镜面422a的平反射部分422，其设计成使激光二极管10发射并且被半镀银镜子80分裂的第一输出激光束L1射到平镜面422a并被平镜面422a反射。因此，可以防止凹面镜420反射输出激光束L0的过程中引起的光束漫射现象。因此，激光雷达设备100D具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性。
并且，在此实施例中，平反射部分422包括反射型衍射光栅，它将激光束转换成具有预定投影图案。在这种结构中，需要在镜子组件300A与经过凹面镜420的测量区域之间提供任何诸如图9所示光学元件500的光学元件。因此，可以减小激光雷达设备的尺寸。因此，根据此实施例的激光雷达设备100D具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性，而不会牺牲激光雷达设备的小尺寸。
并且，平反射部分422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。在平反射部分422中，入射激光束散开，使输出激光束L0的直径增大。因此，与未包括光学元件500的情况相比，在测量区域的物体的目标表面F上的照射面积也增大。因此，通过平反射部分422可以容易和确保实现光束转换装置的功能。
第一输出激光束L1的预定投影图案P1包括暗区A1和明区A2，其中照射到明区A2的第一输出激光束L1的强度大于照射到暗区A1的第一输出激光束L1的强度。这样，镜子组件300A可以减少输入激光束L3通过通孔32产生的输入激光束L3的损失。因此，激光雷达设备100D具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性。
并且，在根据此实施例的激光雷达设备100D中，可以得到与前面实施例相同的优点。
第六实施例
参看图14-15，下面描述根据本发明第六实施例的激光雷达设备100E。
图14是根据本发明第六实施例的激光雷达设备100E的示意图。
在此实施例中，与第四实施例的差别在于旋转装置400C与旋转装置400B的不同结构，因为旋转装置400C包括与凹面镜420不同的凹面镜430。因此，将省略与第四实施例中所用的功能和结构相同的激光雷达设备的组成部分的详细讨论。
激光雷达设备100E具有包括凹面镜430的旋转装置400C。凹面镜430包括具有凹形镜面431a的凹反射部分431以及具有平镜面432a的平反射部分432。反射部分431具有与第四实施例中给出的反射部分421相同的结构。凹反射部分431的凹形镜面431a包围平反射部分432的平镜面432a。平反射部分432的平镜面432a位于激光二极管10发射的输出激光束L0的轴线上。更详细地，由半镀银镜子80分裂的第一输出激光束L1照射到平镜面432a。
旋转装置400C具有旋转轴线51a，它形成为电机50的输出轴51的轴线。旋转轴线51a与输出激光束L0和第一输出激光束L1在激光二极管10与凹面镜430之间的轴线重合。凹面镜430的凹反射部分431的焦点在旋转装置400B的旋转轴线51a上。因此，在物体反射回来的输入激光束L3被凹面镜430的凹反射部分431偏转之后，输入激光束L3会聚到位于旋转轴线51a上的焦点。
并且，在根据此实施例的激光雷达设备100E中，凹面镜430的平反射部分432包反射型衍射光栅。平反射部分432将激光二极管10发射并透过半镀银镜子80的输出激光束L0朝测量区域反射，并将输出激光束L0转换成产生预定投影图案，该预定投影图案覆盖比光学透镜60准直的输出激光束L0的横截面大的横截面。入射到平反射部分432的激光是光学透镜60准直的平行光线的激光束。入射激光束散开，使第一输出激光束L1的直径通过平反射部分432偏转后增大。
图15是表示包括反射型衍射光栅的平反射部分432产生的第一输出激光束L1的示例性投影图案P2的示意图。投影图案P2与投影图案P1不同。
当具有旋转装置400C的激光雷达设备100E设置在水平面上、并且第一输出激光束L1沿着水平方向从激光雷达设备100E发出时，获得投影图案P2。因此，如果在测量区域中准备一个垂直面F、并且第一输出激光束L1入射到垂直面F上，第一输出激光束L1的强度的分布具有矩形形状，如图15所示。
如图15所示，投影图案P2在平行于旋转轴线51a的垂直方向具有三个矩形区域。因此，投影图案P2是具有较长边和较短边的长窄状的矩形。即，投影图案P2包括暗区A3和一对明区A4，暗区A3夹在一对明区A4之间。长边的长度W1大于短边的长度W2，如图15所示。
根据此实施例的激光雷达设备100E，可以得到与第五实施例相同的优点。并且，平反射部分432将入射激光束转换成具有投影图案P2。投影图案P2具有一对明区A4以及夹在这对明区A4之间的暗区A3。因此，镜子组件300A可以减小照射通孔32的输入激光束L3产生的输入激光束L3的损失。因此，激光雷达设备100E具有改进的束分裂效率，提高检测物体方向和距离的准确性，
并且，投影图案P2具有长窄状矩形的形状，矩形长边平行于旋转轴线51a；并具有一对明区A4，该对明区沿平行于旋转轴线51a的方向将暗区A3夹在中间。因此，可以提高物体方向的分辨率。
实施例的修改
虽然为了更好地理解本发明已经参照优选实施例描述了本发明，但应该理解的是，在不偏离本发明原理的情况下，可以按不同方式实施本发明。
例如，在第一和第二实施例中，光学透镜60处于激光二极管10和镜子30之间。光学透镜60相当于准直装置。但是，也可以去除光学透镜60。在这种情况下，输出激光束L0漫射并穿过通孔32。并且，优选地，光学透镜60包括会聚透镜。
并且，在第一和第二实施例中，镜子的通孔32设计成，如果通孔32投影到垂直输出激光束L0中心轴线的平面上，通孔32的投影图像是圆形。但是，也允许通孔32的投影图像是矩形和其它形状。
并且，在第二实施例中，采用光电二极管20检测第二输出激光束L2和输入激光束L3。但是，优选地使用两个光电二极管，一个用于检测第二输出激光束L2，另一个用于检测输入激光束L3。在这种情况下，如果可以使用分散装置，则它处于镜子组件300A与光电二极管20之间。
并且，在第三实施例中，设备包括具有第一狭缝93的第一盖件92以及具有第二狭缝96的第二盖件95。但是，允许仅仅包括第一和第二盖件92、96之一。并且，用适于仅仅透射激光束的滤光片覆盖狭缝93、96。
在第三实施例中，狭缝93、96形成圆形形状。但是，狭缝的形状并不限于圆形。诸如多边形等其它形状也可以接收。
此外，第二、第四、第五和第六实施例的激光雷达设备还可以包括第三实施例公开的具有第一狭缝93的第一盖件92以及第二盖件95。
在第四、第五和第六实施例中，镜子组件300A包括半镀银镜子80。但是，允许镜子组件300A不包括半镀银镜子80。
Claims (7)
1.一种激光雷达设备，用于测量物体的距离和到物体的方向，所述物体处于所述激光雷达设备的测量区域，所述激光雷达设备包括：
激光束发生装置，用于产生具有轴线的激光束、并将激光束朝测量区域发射；
光检测装置，用于检测由处于测量区域的物体反射回来的反射激光束；
镜子组件，所述镜子组件包括反射面，所述反射面布置成与激光束发生装置发射的激光束的轴线成预定角度、并将物体反射回来的反射激光束朝光检测装置反射；
光偏转装置，用于将激光束发生装置发射的激光束朝测量区域偏转、并将处于测量区域的物体反射回来的激光束朝所述镜子组件偏转，光偏转装置具有旋转轴线和镜面；
旋转驱动装置，用于使光偏转装置绕光偏转装置的旋转轴线旋转，使得光偏转装置的镜面被转动到沿着测量区域的方向朝向；
其特征在于，所述激光雷达设备还包括：
通孔，所述通孔穿过所述镜子组件、与从激光束发生装置发射的激光束的轴线同轴、并且使激光束发生装置发射的激光束通过；以及
光束转换装置，用于将激光束发生装置发射的激光束转换成具有预定投影图案的转换激光束，所述光束转换装置布置在测量区域中从激光束发生装置发射的激光束的光路上并且位于所述激光束发生装置与所述镜子组件之间；
其中，所述光束转换装置将激光束发生装置发射的激光束转换成具有预定投影图案，该预定投影图案覆盖比入射激光束横截面大的区域；
光偏转装置的镜面具有包括平镜面的平反射部分、和包括凹形镜面的凹反射部分，所述凹形镜面具有位于所述光偏转装置的旋转轴线上的焦点；
光偏转装置的凹形镜面将处于测量区域的物体反射回来的反射激光束朝镜子组件偏转；以及
光偏转装置的平镜面将激光束发生装置发射的激光束朝测量区域偏转。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述光束转换装置被嵌在光偏转装置的平镜面中，使得激光束发生装置发射的激光束被转换成在测量区域具有预定投影图案。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述光束转换装置被布置成在从激光束发生装置发射到镜子组件的通孔的激光束的轴线上并且位于所述激光束发生装置与所述镜子组件之间。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述光束转换装置包括衍射光栅。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述预定投影图案包括明区以及被明区包围的暗区，并且照射到明区的光的量多于照射到暗区的光的量。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述预定投影图案包括一对明区和夹在这对明区之间的暗区。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：
所述预定投影图案设计成，所述一对明区以预定间隔位于所述光偏转装置的旋转轴线上。
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