測量物體方向和距離的雷射雷達設備的製作方法

2023-06-01 14:53:11 1

專利名稱：測量物體方向和距離的雷射雷達設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射雷達設備和方法，用於利用雷射束測量物體方向和從雷射雷達設備到物體的距離。
背景技術：
作為一種能測量物體方向和從雷射雷達設備到物體的距離的雷射雷達設備，具有例如Hoashi等人在日本專利No. 2789741中披露的公知設備。Hoashi等人的雷射雷達設備包括發射作為進入測量區域的輸出光的雷射束或雷射脈衝的雷射束髮生裝置，輸出光具有光軸，檢測在輸出光由位於測量區域的物體反射之後到達並作為輸入光的反射雷射束或反射雷射脈衝的光檢測裝置，允許輸出光從其中透過而禁止輸入光透過的光頻隔離器，以及電控單元(ECU)。雷射束髮生裝置是例如產生包括雷射束和雷射脈衝的雷射發射的雷射雷達二極體。光檢測裝置是例如將入射雷射束或入射雷射脈衝轉換成電流的光電二極體，該電流是入射雷射束或入射雷射脈衝的強度的函數。光頻隔離器反射輸入光，光頻隔離器反射的輸入光被導向光檢測裝置。為了實現這些功能， 光頻隔離器優選地位於輸出光的光軸上。根據輸出雷射束和輸入雷射束的相位差、或者利用光速計算雷射脈衝發射和接收之間的飛行時間，電控單元(ECU)計算從設備到物體的距離，如果存在物體的話。此外，Hoashi等人的雷射雷達設備包括凹面鏡，凹面鏡將輸出光朝測量區域偏轉、並將物體反射回來的輸入光朝光檢測裝置偏轉。此外，凹面鏡設置成旋轉高達360度，使得水平方向的角掃描範圍可以達到高達360度。需要注意的是，在Hoashi等人的光學雷射器中，投射光學系統包括雷射束髮生裝置、光頻隔離器和凹面鏡，光檢測系統包括凹面鏡和光頻隔離器。投射光學系統和光檢測裝置部分同軸地設置。更詳細地，光頻隔離器和物體之間的輸出光和輸入光的軸線是相同的。如上所述，Hoashi等人的雷射雷達設備或者類似類型的雷射雷達設備，輸出光和輸入光的軸線相同，光頻隔離器設置成位於輸出光和輸入光共同的軸線上。雷射束髮生裝置發射的輸出光通過光頻隔離器，但物體反射回來的輸入光被光頻隔離器反射。一般地，在雷射束或雷射脈衝分別通過光頻隔離器和由光頻隔離器反射的過程中都可以造成雷射束或雷射脈衝衰減。因此，在雷射束或雷射脈衝分別通過光頻隔離器和由光頻隔離器反射的過程中束分裂效率降低。這導致雷射雷達設備一些元件的特殊結構，例如，具有較大鏡板而擴大有效光接收面積以提高束分裂效率的較大鏡子。這與減小設備尺寸的趨勢相衝突。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種雷射雷達設備，它具有改進的束分裂效率、以及提高檢測物體方向和從設備到物體的距離的準確性，並且由於投射光學系統和光檢測系統的
3同軸結構，不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。根據本發明的一個方面，提供一種雷射雷達設備，該雷射雷達設備測量物體的距離和到物體的方向，物體處於雷射雷達設備的測量區域。該雷射雷達設備包括雷射束髮生裝置、光檢測裝置、鏡子組件、光偏轉裝置以及旋轉驅動裝置。雷射束髮生裝置產生具有軸線的雷射束，並將雷射束朝測量區域發射。光檢測裝置檢測被位於測量區域的物體反射回來的反射雷射束。鏡子組件包括通孔以及反射面。通孔穿過鏡子組件與從雷射束髮生裝置發射的雷射束的軸線同軸，並且使雷射束髮生裝置發射的雷射束透過。反射面布置成與雷射束髮生裝置發射的雷射束的軸線成預定角度、並將從物體反射的反射雷射束朝光檢測裝置反射。光偏轉裝置將雷射束髮生裝置發射的雷射束朝測量區域偏轉，並將位於測量區域的物體反射回來的雷射束朝鏡子組件偏轉，其中，光偏轉裝置具有旋轉軸線和鏡面。旋轉驅動裝置使光偏轉裝置繞光偏轉裝置的旋轉軸線旋轉，使得光偏轉裝置的鏡面轉動到沿著測量區域的方向朝向。根據本發明的另一個方面，一種用於測量處於雷射雷達設備的測量區域的物體的距離的方法包括如下步驟產生具有軸線的雷射束、並將雷射束朝測量區域發射；將雷射束分裂成導向測量區域的第一雷射束和導向光檢測裝置的第二雷射束；通過光檢測裝置檢測第二雷射束以估計第二雷射束的強度；根據第二雷射束的強度估計雷射束髮生裝置的輸出功率；將雷射束髮生裝置的估計輸出功率與基準值進行比較；根據比較結果調節雷射束髮生裝置的輸出功率；通過鏡子組件的反射面將來自物體的反射第一雷射束反射到光檢測裝置；通過光檢測裝置檢測來自物體的反射第一雷射束；以及根據輸出雷射束與輸入雷射束的相位差、或者利用光速計算雷射束的發射和接收之間的飛行時間計算從雷射雷達設備到物體的距離。


從下面給出的詳細描述以及從本發明優選實施例的附圖，可以更加完全地理解本發明，這不能認為是將本發明限制在這些具體的實施例，而是應該認為是僅僅為了解釋和理解的目的。在附圖中圖1是根據本發明第一實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖2是根據圖1所示的第一實施例的雷射雷達的具有通孔的鏡子的示意圖；圖3是圖2所示鏡子的剖視圖和仰視圖；圖4是根據本發明第二實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖5是根據圖4的第二實施例的包括半鍍銀鏡子的雷射雷達的鏡子組件的剖視圖和仰視圖；圖6是解釋雷射輸出控制裝置執行的雷射二極體的反饋控制操作的流程圖，該操作調節圖4所示雷射雷達的雷射二極體的雷射束輸出強度；圖7是根據本發明第二實施例的修改的雷射雷達的鏡子的剖視圖；圖8是根據本發明第三實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖9是根據本發明第四實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖10是根據本發明第四實施例的雷射雷達的光束變換裝置透射的以及凹面鏡平
4反射部分偏轉的輸出光的投影圖；圖11是根據第四實施例的雷射雷達中使用的凹面鏡的示意圖；圖12是根據本發明第五實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖13是根據本發明第五實施例的雷射雷達的衍射光柵件透射的以及凹面鏡平面鏡部分偏轉的輸出光的投影圖；圖14是根據本發明第六實施例的雷射雷達設備的示意圖；圖15是根據本發明第六實施例的雷射雷達的衍射光柵件透射的以及凹面鏡平面鏡部分偏轉的輸出光的投影圖；以及圖16是現有雷射雷達的示意圖。
具體實施例方式下面將參考附圖解釋本發明的優選實施例。相同的構成部分在所有附圖中用相同的參考標號表示。第一實施例參看圖1-3，下面將描述根據本發明第一實施例的雷射雷達設備。圖1是根據本發明第一實施例的雷射雷達設備100的示意圖。根據圖1所示，雷射雷達設備100包括雷射二極體10和光電二極體20。雷射雷達設備100被設計成根據雷射二極體10發射的輸出光LO與物體反射回來並被光電二極體20 接收的輸入光L3的相位差、或者利用光速計算輸出光LO發射和輸入光L3接收之間的飛行時間檢測到位於測量區域中的物體的方向，如果物體存在的話，以及檢測從雷射雷達設備到物體的距離。在此實施例中，雷射二極體10發射雷射脈衝。響應於圖1中未圖示的雷射二極體控制器的命令信號，雷射二極體10發射具有軸線的雷射脈衝，作為進入測量區域的輸出雷射束L0。雷射束髮生裝置包括雷射二極體10和未示出的雷射二極體控制器。雷射二極體控制器通過向雷射二極體10發送命令信號控制雷射二極體10的運行。在從雷射二極體10發射雷射脈衝的情況下，命令信號含有電流脈衝信號。光電二極體20相當於光檢測裝置。輸出雷射束LO被處於測量區域的物體反射， 形成反射雷射束或輸入雷射束L3。接著，反射的雷射束L3由光電二極體20檢測並被轉換成電信號，其幅度是反射雷射束L3的強度的函數。在此實施例中，物體反射的雷射束的僅僅一部分，在物體表面上反射角接近0度的這部分雷射束能返回到雷射雷達設備，如圖1的平行線L3所示。物體反射的其它部分雷射束不能被檢測，因為在物體表面的反射角偏離0 度。雷射雷達設備100還包括光學透鏡60和鏡子組件300。光學透鏡60和鏡子組件 300都設置成與輸出雷射束LO的中心軸線同軸。光學透鏡60是一種準直透鏡，它將雷射二極體10發射的雷射束LO轉變成平行光線的雷射脈衝。光學透鏡60相當於雷射束準直裝置。在此實施例中，鏡子組件300對應於鏡子30。鏡子30基本形成為具有兩個表面的板。鏡子30具有相當於鏡子30—個表面的反射面31以及通孔32。反射面31設置成與輸出雷射束LO的軸線成預定角度。通孔32具有中心軸線並穿透鏡子30，使得通孔32的中心軸線與反射面31交叉。根據本發明的雷射雷達設備100布置成使得輸出雷射束LO和輸入雷射束L3同軸。鏡子30布置成使輸出雷射束LO通過通孔32。即，輸出雷射束LO通過通孔32，而輸入雷射束L3被鏡子30反射。通孔32和輸出雷射束LO具有公共軸線。此外，鏡子30的反射面31反射輸入雷射束L3，使其朝向光電二極體20。鏡子組件300相當於光束隔離裝置。根據此實施例的雷射雷達設備100還包括旋轉裝置400。旋轉裝置400布置成可以繞旋轉軸線旋轉，旋轉軸線與輸出雷射束LO的軸線相同，使得在水平方向的角掃描範圍可以高達360度。旋轉裝置400包括凹面鏡401，它將輸出雷射束LO朝測量區域偏轉、並將物體反射回來的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。凹面鏡401的焦點在旋轉裝置400的旋轉軸線上。旋轉裝置400是具有凹形表面的裝置的一個例子。凹形表面是凹面鏡401。旋轉裝置400的旋轉角決定將被檢測物體的方向。凹面鏡401相當於包括具有凹形表面的裝置的光偏轉裝置。為了驅動旋轉裝置400執行連續的旋轉運動，提供電機50。電機50具有驅動旋轉裝置400和凹面鏡401的輸出軸51。電機50是旋轉驅動裝置的一個例子。步進電機可以作為電機50。在步進電機中，將整個旋轉分成多個步長。如果將步進電機控制成每個步長具有非常小的旋轉角度，就可以使旋轉裝置400高解析度地進行旋轉運動。因此，可以實現準確測定物體的方向。此外，也允許使用除步進電機以外的其它類型的電機作為電機50。 例如，也可以使用伺服電機。如果使用軸以恆定速度旋轉的電機作為電機50，就容易計算旋轉裝置400指向測量區域時所需的時間。因此，雷射二極體控制器的運行模式是，將電流脈衝作為命令信號輸出到雷射二極體10的時刻與電機軸的旋轉角度達到所需數值時的到達時刻同步。結果，雷射二極體10以精確時刻發射輸出雷射束L0，以在所需方向檢測物體。 因此，可以快速地計算物體的方向和到物體的距離。在此實施例中，為了檢測電機50的旋轉角度，提供旋轉角度傳感器52，並將其連接到電機50。將電機50的輸出軸51的角度轉換成模擬或數字電信號的旋轉編碼器可以作為旋轉角度傳感器52的一個例子。如上所述， 可以接受任何類型的電動機作為電機50。並且，在此實施例中，提供外殼3以容納雷射二極體10、光電二極體20、鏡子組件 300、光學透鏡60和旋轉裝置400。這樣，可以防止這些元件暴露在灰塵中或受到物理衝擊。 外殼3具有光學窗口 4，輸出雷射束LO和輸入雷射束L3可以通過光學窗口分別從設備100 發射出去和進入設備100。因此，光學窗口 4與凹面鏡401在豎直方向上對齊。光學窗口 4 環繞凹面鏡401，並具有環形形狀，其中心位於輸出雷射束LO的中心軸線與環形光學窗口 4 的橫截面交叉的點上。光學窗口 4由例如透明玻璃的透明板5覆蓋，以便防止設備100的凹面鏡401和其它元件暴露在灰塵中。透明板5設置成一角度，該角度與輸出雷射束LO和輸入雷射束L3的軸線成直角的角度略微偏離。因此，即使輸出雷射束LO被透明板5反射， 反射的輸出雷射束也不會具有與輸出雷射束LO和輸入雷射束L3相同的軸線。因此，透明板5反射輸出雷射束LO不會產生幹擾測定物體到設備100的距離的任何噪音。下面參看圖2和3，詳細討論此實施例中相當於鏡子30的鏡子組件300。圖2是根據圖1所示第一實施例的雷射雷達設備100的具有通孔32的鏡子30的示意圖。如圖2所示，鏡子組件300的鏡子30的形狀類似於一塊板，它具有一個表面33以。鏡子30的表面31對應於反射面。在表面31 的中心附近形成通孔32，從而從表面33到相反表面31穿透鏡子40。圖3是圖2所示鏡子30的剖視圖和俯視圖。在此實施例中，通孔32形成為使得輸出雷射束LO穿過通孔32，即通孔32的中心軸線設置成與輸出雷射束LO的中心軸線相同。從圖3可以看出，通孔32在此實施例中是空的。如圖3所示，通孔32形成為具有軸線的管狀。通孔32的軸線與輸出雷射束LO的軸線重合。通孔32沿著其軸線具有圓形橫截面34。即，如果通孔32投影到垂直輸出雷射束LO中心軸線的平面上，如圖3所示，則通孔32的投影圖像是中心在點Xl的圓34，點Xl 是輸出雷射束LO的橫截面的中心。通孔32具有恆定的直徑D1。通孔32可以具有諸如橢圓形等的其它形狀的橫截面。如上所述，在根據此實施例的雷射雷達設備100中，雷射二極體10、鏡子30的通孔 32和光學透鏡60設置成與輸出雷射束LO的中心軸線同軸。光學透鏡60將雷射二極體10 發射的雷射束轉換成雷射脈衝的平行光線。通孔32的直徑Dl根據雷射二極體10和光學透鏡60的光學特性確定。例如，將通孔32的直徑Dl定為略大於由光學透鏡60準直的平行光線雷射脈衝的直徑。反之，允許光學透鏡60設計成使雷射二極體10發射的雷射束準直，使其最大寬度小於通孔32的直徑Dl。根據鏡子30的通孔32或光學透鏡60的這種設計，可以防止輸出光LO從鏡子30的表面33的任何反射。此外，允許在雷射雷達設備100中，鏡子組件還包括未圖示的光學元件，用於將雷射束髮生裝置10發射的輸出雷射束LO朝測量區域透射、以及將位於測量區域的物體反射回來的輸出雷射L3經過光偏轉裝置41反射。在這種情況下，鏡子組件30的通孔32至少部分地被光學元件覆蓋。優選地，光學元件是由具有高的光透過率的材料製成。下面解釋雷射雷達設備100的操作。首先，雷射二極體控制器將命令信號發送到雷射二極體10。命令信號含有例如電流脈衝，電流脈衝使雷射二極體10輸出與電流脈衝成比例的雷射脈衝L0。即，從雷射二極體10發射寬度與電流脈衝成比例的雷射脈衝L0。從雷射二極體10發射的雷射脈衝LO在其行進過程中將稍微漫射，因為雷射脈衝LO在其剛剛從雷射二極體10射出之後具有初始漫射角。接著，將雷射脈衝LO通過光學透鏡60轉換成平行雷射脈衝LO。由光學透鏡60準直的雷射脈衝LO的平行光線穿過鏡子30的通孔32。接著，穿過鏡子30的通孔32的雷射脈衝LO的平行光線變成入射到凹面鏡401的入射雷射脈衝LO。凹面鏡401使入射雷射脈衝LO偏轉，並且從凹面鏡401反射的雷射脈衝LO從雷射雷達設備100朝測量區域射出以檢測物體。如果在測量區域具有某一物體，則物體反射從設備100射出的雷射脈衝L0。在物體表面反射角幾乎為零的一部分雷射脈衝作為輸入雷射束L3被反射回設備100。在通過光學窗口之後，輸入雷射束L3或輸入雷射脈衝L3被凹面鏡401偏轉。在這種情況下，凹面鏡401作為聚光透鏡，它將輸入雷射束L3聚集到鏡子30，使得其橫截面的面積減小直到所有輸入雷射束L3可被鏡子30捕獲。來自凹面鏡401的偏轉雷射束L3被鏡子30反射。接著，輸入雷射束L3進入光電二極體20。偏轉的雷射束L3被光電二極體 20檢測並轉換成電信號，電信號的幅度是反射雷射束L3強度的函數。在此結構中，測量在輸出雷射束LO從雷射二極體10發射的時刻與輸入雷射束L3 被光電二極體20捕獲的時刻之間的飛行時間，以便利用光速獲得處於測量區域並反射輸出雷射束LO的物體到設備100的距離。物體的方向是根據驅動凹面鏡401的電機50的旋轉角度直接得到的。雷射雷達設備的優點圖16是現有的雷射雷達設備900的示意圖。類似於根據此實施例的雷射雷達設備100，公知的雷射雷達設備900包括雷射二極體901、光電二極體902、光頻隔離器903、凹面鏡904、電機905、光學窗口 906、外殼907、 第一狹縫908、第二狹縫909和第三狹縫910。設備900設計成，根據雷射二極體901朝測量區域發射雷射束的時刻與光電二極體902檢測物體反射的雷射束的時刻之間的飛行時間， 利用光速檢測物體的距離。物體的方向通過電機905的旋轉角度確定。雷射二極體901發射具有預定漫射角的雷射束。光頻隔離器902使雷射二極體 901發射的雷射束通過。凹面鏡904將從雷射二極體901射出經過光頻隔離器903的雷射束朝測量區域偏轉。如果測量區域內存在物體，反射的雷射束從物體返回。從物體反射的雷射束通過凹面鏡904偏轉。由於凹面鏡904具有雷射二極體901，從物體反射的雷射束通過光頻隔離器903朝光電二極體902偏轉。雷射二極體901、光電二極體902、光頻隔離器903、凹面鏡904和電機905裝在外殼907內，外殼907具有光學窗口 906。雷射束經過光學窗口 906發射到測量區域，並被測量區域中的物體反射返回。在設備900中，在雷射束透過光頻隔離器和雷射被光頻隔離器反射的過程中都造成雷射束的衰減。與設備900的情況相比，雷射雷達設備100不使用光頻隔離器。如上所述，在雷射雷達設備100中具有以預定角度設置的鏡子30，例如，相對輸出雷射束LO的軸線成45度的角度設置。並且，鏡子30具有通孔32，輸出雷射束LO經過它不會有任何強度損失。並且，鏡子30具有將輸入雷射束L3朝光電二極體20反射的反射面 31。因此，根據本發明的雷射雷達設備100的鏡子30改善了輸出雷射束LO的發射和輸入雷射束L3的反射過程中的光損失特性。作為鏡子30的光損失特性的改進結果，檢測物體到設備100的距離的準確性也得到有效提高。特別是，在此實施例中，鏡子30的通孔32是空的，這有效改善了在經過鏡子30的過程中造成的輸出雷射束LO的損失或衰減。並且，在此實施例中，輸入雷射束L3是從鏡子30的反射面31反射的。因此，儘管由於通孔32仍造成輸入雷射束L3的一定強度損失，仍可以實現輸入雷射束L3從鏡子30反射面31的近乎完美反射。而在光頻隔離器中不可能實現近乎完美的反射。因此，這有效改善了輸入雷射束L3在設備100中行進過程中的衰減。並且，在此實施例中，鏡子的通孔32設計成，如果將通孔32投影到垂直輸出雷射束LO中心軸線的平面上，通孔32的投影圖像是中心處於點Xl的圓形，如圖3所示。因此， 具有最大光強度的輸出雷射束LO的中心部分通過通孔32沒有任何強度損失。因此，可以有效地改善設備100的光損失特性。
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並且，在此實施例中，具有在雷射二極體10與鏡子30的通孔32之間、並且設置成與輸出雷射束LO的中心軸線同軸的的光學透鏡60。因此，在經過鏡子30的通孔32的過程中，輸出雷射束LO是由沒有漫射角的雷射脈衝的平行光線構成，因為從雷射二極體10發射的漫射雷射束脈衝被光學透鏡60轉換成平行雷射脈衝LO。這導致通孔32的最小直徑D1， 並且改善了鏡子30在反射輸入雷射束L3時的光損失特性。因此，可以使鏡子30反射造成的輸入雷射束L3的強度損失最小。如果將投射光學系統定義為包括雷射二極體10、電機50、光學透鏡60、鏡子30和凹面鏡401的組件，將光檢測系統定義為包括凹面鏡401、鏡子30、電機50和光電二極體20 的組件，則根據此實施例的雷射雷達設備100具有改進的束分裂效率，提高了檢測物體方向和距離的準確性，而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸，因為投射光學系統和光檢測系統是同軸結構。第二實施例參看圖4-7，下面將描述根據本發明第二實施例的雷射雷達設備。圖4是根據本發明第二實施例的雷射雷達設備100A的示意圖。在此實施例中，與前一個實施例的差別在於存在束分裂裝置80以及操作控制器 82和存儲器84的改進方法。因此，下面將省略與前一個實施例所使用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。如圖4所示，根據本發明的雷射雷達設備100A包括鏡子組件300A、控制器82和存儲器84。控制器82和存儲器84分別相當於控制裝置和存儲裝置。在此實施例中，投射光學系統包括作為雷射束髮生裝置的元件的雷射二極體10、作為旋轉驅動裝置的電機50、作為準直裝置的光學透鏡60、鏡子組件300A、以及作為光偏轉裝置的凹面鏡401 ；光檢測系統包括作為光偏轉裝置的凹面鏡401、鏡子組件300A、作為光檢測裝置的元件的光電二極體 20、以及作為旋轉驅動裝置的電機50。鏡子組件300A包括鏡子30和半鍍銀鏡子80。像在第一實施例的情況下，鏡子30成預定角度布置，例如，相對輸出雷射束LO的軸線成大約45度的角度。並且，鏡子30具有通孔32，輸出雷射束LO經過它不會有任何強度損失。半鍍銀鏡子80至少部分地覆蓋通孔32。並且，鏡子30具有將輸入雷射束L3朝光電二極體20反射的反射面31。輸出雷射束LO透過鏡子組件300A的半鍍銀鏡子80。半鍍銀鏡子80將輸出雷射束LO分裂成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。即，輸出雷射束LO的一部分透過鏡子組件300A的半鍍銀鏡子80，而輸入雷射束L3被鏡子30偏轉。在透過鏡子組件300A之後，第一輸出雷射束Ll具有與輸出雷射束LO相同的軸線。鏡子30 基本是由具有兩個表面的板形成。鏡子30具有對應於鏡子30 —個表面的反射面31以及通孔32。反射面31與輸出雷射束LO的軸線形成預定角度。通孔32具有中心軸線並穿透鏡子30，使通孔32的中心軸線與反射面31相交。並且，類似於第一實施例的情況，旋轉裝置400設計成繞與第一輸出雷射束Ll的軸線相同的旋轉軸線旋轉，從而在水平方向的角掃描範圍可以達到高達360度。旋轉裝置 400包括凹面鏡401，它將第一輸出雷射束Ll朝測量區域偏轉並將物體反射回來的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。凹面鏡401的焦點位於旋轉裝置400的旋轉軸線上。與第一實施例的情況相比，鏡子組件300A包括作為束分裂裝置的半鍍銀鏡子80。半鍍銀鏡子80布置成與輸出雷射束LO的軸線同軸，即與通孔32的軸線同軸。圖5是根據圖4的第二實施例的具有半鍍銀鏡子80的雷射雷達的鏡子組件300A 的剖視圖和仰視圖。如圖5所示，根據此實施例的鏡子組件300A將輸出雷射束LO分成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2的方向彼此不同。 第一輸出雷射束Ll具有與第一實施例的輸出雷射束LO相同的光路。即，第一輸出雷射束 Ll入射到凹面鏡401。如圖5所示，通孔32形成為具有軸線的管狀。通孔32的軸線與輸出雷射束LO的軸線重合。這意味著通孔32的軸線與第一輸出雷射束Ll的軸線重合。通孔32沿著其軸線具有圓形橫截面34。S卩，如果通孔32如圖5所示投影到垂直第一輸出雷射束Ll的軸線的平面上，則通孔32的投影圖像是中心在點Xl的圓34，點Xl是第一輸出雷射束Ll的橫截面的中心。通孔32具有恆定的直徑Dl。通孔32可以具有諸如橢圓形等的其它形狀的橫截半鍍銀鏡子80覆蓋通孔32。在該實施例中，如圖5所示，通過將銀鏡子80投影到垂直第一輸出雷射束Ll的軸線的平面上獲得的半鍍銀鏡子80的投影圖像具有圓形形狀。 即，半鍍銀鏡子80具有大體橢圓形形狀，因為布置成以這種方式傾斜的橢圓在投影到水平面上時具有圓形投影圖像。並且，由半鍍銀鏡子80分裂的第二輸出雷射束L2被導向光電二極體20並通過光電二極體20檢測，以便測量其強度。由光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2的強度與雷射二極體10發射的輸出雷射束LO的強度有關。因此，如果採用反饋控制操作來控制雷射二極體10，則輸出雷射束LO的強度可以調節到合適值。在此實施例中，控制器82和存儲器84執行反饋控制操作，以控制雷射二極體10。控制器82可以由具有中央處理器(CPU)的微計算機構成。存儲器84可以由諸如只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、永久性存儲器等的存儲器構成。控制器82和存儲器84構成調節雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度的輸出強度調節裝置的一個例子。控制器82執行反饋控制操作，此反饋控制操作由存儲在存儲器84中的電腦程式限定。反饋控制操作包括以下步驟根據第二輸出雷射束L2的強度估計雷射二極體10 的輸出雷射束LO的輸出強度、將輸出雷射束LO的輸出強度與基準值對比、以及校正輸出雷射束LO的輸出強度。反饋控制操作是以預定間隔、或者僅僅當滿足預定條件時開始執行， 例如設備100A的操作員打開控制設備的開關時開始執行。圖6是解釋控制器82和存儲器84執行的雷射二極體10反饋控制操作的流程圖， 該反饋控制操作調節雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度。在步驟S10，估計雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度。更具體地，由於光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2的強度與雷射二極體10發射的輸出雷射束LO的輸出強度有關，因此根據光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2的強度可以得到雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度。接著，在步驟S20，將雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度的估計值與基準值對比。更具體地，判斷光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2的強度是否大於閾值。第二輸出雷射束L2的強度的閾值取決輸出雷射束LO的輸出強度的基準值。一般地，雷射二極體10的輸出雷射束LO的輸出強度正比於光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2的強度。換句話說，如果第二輸出雷射束L2的強度大於閾值，則輸出雷射束LO的輸出強度大於基準值。因此，如果輸出雷射束LO的輸出強度大於基準值，則在步驟S20的判斷結果是 「否」，程序執行到步驟S30。在步驟S30，通過減小控制器82控制的命令信號的幅度，校正輸出雷射束LO的輸出強度。命令信號是由雷射二極體驅動模塊供應的，雷射二極體驅動模塊在圖4中未圖示， 它連接到雷射二極體10、控制器82和存儲器84。作為這個步驟操作的結果，輸出雷射束LO 的輸出強度減小，並變成允許範圍以內。接著，程序執行到步驟S10。與這種情況相反，如果輸出雷射束LO的輸出強度小於或等於基準值，則在步驟 S20的判斷結果為「是」，則結束雷射二極體10的反饋控制操作。在此實施例中，鏡子組件300A的束分裂裝置80將輸出雷射束LO分裂成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。束分裂裝置80包括半鍍銀鏡子。第一輸出雷射束Ll入射到凹面鏡401，而第二輸出雷射束L2射向光電二極體20。並且，根據光電二極體20檢測的第二輸出雷射束L2強度，執行反饋控制操作以調節輸出雷射束LO的輸出強度。因此，可以根據輸出雷射束LO的實際輸出強度恰當地調節輸出雷射束LO的輸出強度。並且，如果束分裂裝置80由半鍍銀鏡子構成，可以有效分裂輸出雷射束L0。因此，根據此實施例的雷射雷達設備100A得到改進的束分裂效率，並提高物體方向和距離的檢測準確性，並且由於投射光學系統和光檢測系統的同軸結構而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。第二實施例的修改參看圖7，下面解釋根據第二實施例的修改的雷射雷達設備。圖7是根據第二實施例的修改的鏡子組件300B的剖視圖。在第二實施例的修改中，與第二實施例的差別僅是利用鏡子組件300B代替鏡子組件300A。因此，將省略與先前實施例中所用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。如圖7所示，輔助鏡子90設置在鏡子組件300B中，以將輸出雷射束LO分成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。在這種情況下，分光裝置包括輔助鏡子90。輔助鏡子90設計成阻擋穿過鏡子30的通孔32的一部分輸出雷射束L0。此外，輔助鏡子90連接到鏡子30，使得第一輸出雷射束Ll射入到凹面鏡401，而第二輸出雷射束L2射向光電二極體20。因此，在根據第二實施例修改的雷射雷達設備中，將得到與先前實施例相同的優點。第三實施例參看圖8，下面將描述根據本發明第三實施例的雷射雷達設備100B。圖8是根據本發明第三實施例的雷射雷達設備100B的示意圖。在此實施例中，與第一實施例的差別在於具有第一狹縫93的第一蓋件92以及具有第二狹縫96的第二蓋件95。因此，將省略與第一實施例中所用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。如在第一實施例中的情況一樣，鏡子30成預定角度設置，例如，相對輸出雷射束LO的軸線成45度的角度。並且，鏡子30具有通孔32，輸出雷射束LO由此經過而沒有任何強度損失。並且，鏡子30具有將輸入雷射束L3朝光電二極體20反射的反射板31。鏡子 30基本是由具有兩個表面的板形成的。鏡子30具有對應於鏡子30—個表面的反射面31 以及通孔32。反射面31與輸出雷射束LO的中心軸線形成預定角度。鏡子30基本由具有兩個表面的板形成。鏡子30具有對應於鏡子30—個表面的反射面31以及通孔32。反射面31與輸出雷射束LO的軸線形成預定角度。通孔32具有其中心軸線並穿透鏡子30，使通孔32的中心軸線與反射面31相交。並且，類似於第一實施例的情況，旋轉裝置400布置成繞與輸出雷射束LO的軸線相同的旋轉軸線旋轉，從而在水平方向的角掃描範圍可以達到高達360度。旋轉裝置400 包括凹面鏡401，它將輸出雷射束LO朝測量區域偏轉並將物體反射回來的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。凹面鏡401的焦點位於旋轉裝置400的旋轉軸線上。根據此實施例的雷射雷達設備100B包括具有第一狹縫93的第一蓋件92、具有第二狹縫96的第二蓋件95、以及固定第二蓋件95的框架件94。第一蓋件92設置成與輸出雷射束LO和輸入雷射束L3同軸。更詳細地，第一蓋件 92位於鏡子組件300的鏡子30與凹面鏡401之間。第一蓋件92形成為基本具有板形，並固定在外殼3上，使第一蓋件92至少與雷射二極體10和電機50保持固定距離。第一蓋件 92的第一狹縫93的內周壁是具有中心軸線的圓柱形。即，第一狹縫93是在第一蓋件92中形成的圓柱形孔。優選地，第一狹縫93的中心軸線與輸出雷射束LO的中心軸線同軸。但是，還允許第一狹縫93的中心軸線與輸出雷射束LO的中心軸線平行但偏離。第二蓋件95設置為與從鏡子30反射的輸入雷射束L3同軸。因此，第二蓋件95 位於鏡子30與光電二極體20之間。第二蓋件95形成為基本具有板形，並由框架件94以及被外殼3直接支撐的第一蓋件92固定。第二蓋件95還被固定以與鏡子30保持相對位置。第二蓋件95的第二狹縫96的內周壁是具有中心軸線的圓柱形。即，第二狹縫96是在第二蓋件95中形成的圓柱形孔。如果在鏡子30和光電二極體20之間行進的輸入雷射束的軸線97被限定，則狹縫95的中心軸線與鏡子30和光電二極體20之間行進的輸入雷射束的軸線97同軸。除了具有圖1所示雷射雷達設備100中包括的鏡子組件300的構成部分之外，在圖8所示的雷射雷達設備100B中包括具有第一狹縫93的第一蓋件92和具有第二狹縫96 的第二蓋件95。但是，也可以使用圖4和5所示的鏡子組件300A，而不是圖2_3所示的鏡子組件300。在根據此實施例的雷射雷達設備100B中，包括具有第一狹縫93的第一蓋件92和具有第二狹縫96的第二蓋件95。因此，由於通過第一蓋件92和第二蓋件95阻擋輸出雷射束LO和輸入雷射束L3偏離恰當光路的部分，可以改進光譜效率並提高檢測物體方向和距離的準確性。此外，由於圓柱形第一和第二狹縫93和96，可以得到有效阻擋特性，以阻擋輸出雷射束LO和輸入雷射束L3偏離恰當光路的部分。因此，根據此實施例的雷射雷達設備100B得到改進的光譜效率，並提高物體方向和距離的檢測準確性，並且由於投射光學系統和光檢測系統的同軸結構而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。因此，在根據此實施例的雷射雷達設備100B中可以得到與先前實施例相同的優點。第四實施例參看圖9，下面描述根據本發明第四實施例的雷射雷達設備100C。圖9是根據本發明第四實施例的雷射雷達設備100C的示意圖。在此實施例中，與第一實施例的差別在於旋轉裝置400A與圖4所示的具有凹面鏡401的旋轉裝置30的不同結構，以及存在作為光束轉換裝置的光學元件500。旋轉裝置 400A包括凹面鏡410，凹面鏡410包括具有凹形鏡面411a的凹反射部分411以及具有平鏡面41 的平反射部分412。因此，將省略與第二實施例中所用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。如圖9所示，根據此實施例的雷射雷達設備100C包括鏡子組件300A、控制器82 和存儲器84。在此實施例中，投射光學系統包括作為雷射束髮生裝置的元件的雷射二極體 10、作為旋轉驅動裝置的電機50、作為準直裝置的光學透鏡60、鏡子組件300A、以及作為光偏轉裝置的凹面鏡410 ；光檢測系統包括作為光偏轉裝置的凹面鏡410、鏡子組件300A、作為光檢測裝置的元件的光電二極體20、以及作為旋轉驅動裝置的電機50。鏡子組件300A包括鏡子30和半鍍銀鏡子80。如上所述，鏡子30成預定角度設置，例如，相對輸出雷射束LO的軸線成大約45度的角度。並且，鏡子30具有通孔32，輸出雷射束LO經過它不會有任何強度損失。並且，鏡子30具有將輸入雷射束L3朝光電二極體20反射的反射面31。由鏡子30透過的輸出雷射束LO變成第一輸出雷射束Li，而輸入雷射束L3被鏡子30反射。在透過鏡子組件300A之後，第一輸出雷射束Ll具有與輸出雷射束LO相同的軸線。鏡子30基本由具有兩個表面的板形成。鏡子30具有對應於鏡子30—個表面的反射面31以及通孔32。反射面31與輸出雷射束LO的軸線形成預定角度。通孔32具有其中心軸線並穿透鏡子30，使通孔32的中心軸線與反射面31相交。根據此實施例的鏡子組件300A將輸出雷射束LO分裂成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2，如圖5所示。第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2的方向彼此不同。 第一輸出雷射束Ll入射到凹面鏡410。並且提供外殼3，用於裝雷射二極體10、光電二極體 20、鏡子組件300、光學透鏡60和旋轉裝置400A。外殼3具有光學窗口 4，第一輸出雷射束 Ll和輸入雷射束L3可以通過它分別從設備100發射出去和進入設備100。光學窗口 4由例如透明玻璃的透明板5覆蓋，以便防止設備100的凹面鏡401和其它元件暴露在灰塵中， 如根據上述第二實施例的設備100A —樣。並且，根據此實施例的雷射雷達設備100C包括旋轉裝置400A。旋轉裝置400A布置成繞與第一輸出雷射束Ll的軸線相同的旋轉軸線旋轉，從而在水平方向的角掃描範圍可以達到高達360度。旋轉裝置400A包括凹面鏡410，凹面鏡410將第一輸出雷射束Ll朝測量區域偏轉並將物體反射回來的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。凹面鏡410對應於光偏轉裝置。為了驅動旋轉裝置400A執行連續的旋轉運動，提供電機50。電機50具有驅動旋轉裝置400和凹面鏡410的輸出軸51。電機50對應於旋轉驅動裝置。為了檢測電機50的旋轉角度，提供旋轉角度傳感器52，它連接到電機50。旋轉裝置400A的結構與第一實施例中給出的旋轉裝置400不同。即，與旋轉裝置400的情況相比，此實施例中使用的旋轉裝置400A包括凹面鏡410，其結構與圖1所示的凹面鏡401不同。凹面鏡410產生由透過光學元件500的第一輸出雷射束Ll的如圖10所示的第一輸出雷射束Ll的投影圖案。圖11是在此實施例中使用的旋轉裝置400A的示意圖。如圖11所示，旋轉裝置400A具有凹面鏡410。凹面鏡410包括具有凹形鏡面411a 的凹反射部分411以及具有平鏡面41 的平反射部分412。凹面鏡410的表面由平反射部分412的平鏡面41 和凹形鏡面411a覆蓋，使平鏡面41 被凹形鏡面411a包圍。並且， 平鏡面41 的設計使雷射二極體10發射的第一輸出雷射束Ll射到平鏡面41 並被平鏡面41 反射。S卩，凹面鏡410的平鏡面41 設置成與第一輸出雷射束Ll的軸線同軸。旋轉裝置400A具有旋轉軸線51a，它形成為電機50的輸出軸51的軸線。旋轉軸線51a與輸出雷射束LO和第一輸出雷射束Ll在雷射二極體10與凹面鏡410之間的部分軸線對齊。凹面鏡401的凹反射部分411的焦點在旋轉裝置400A的旋轉軸線51a上。因此，在物體反射回來的輸入雷射束L3被凹面鏡410的凹反射部分411反射之後，輸入雷射束L3會聚到位於旋轉軸線51a上的焦點。如圖10所示，凹面鏡410的平反射部分412在垂直旋轉軸線51a的平面上的投影圖像是圓形。即，當具有旋轉裝置400A的雷射雷達設備100C設置在水平面上時，第一輸出雷射束Ll沿著水平方向從雷射雷達設備100C發出。因此，如果在測量區域中準備一個垂直面F、並且第一輸出雷射束Ll入射到垂直面F上，第一輸出雷射束Ll的強度的分布具有圓形形狀，如圖10所示。並且，如圖9所示，根據此實施例的雷射雷達設備100C包括作為光束轉換裝置的光學元件500。光學元件500位於輸出雷射束LO在雷射二極體10與設備100C外部的測量區域之間的軸線上。光學元件500包括透射型衍射光柵。輸出雷射束LO透過光學元件500，並轉換成具有預定投影圖案，該預定投影圖案覆蓋比由光學透鏡60準直的輸出雷射束LO的橫截面大的橫截面。入射到光學元件500的雷射束是光學透鏡60準直的平行光線雷射束。在光學元件500中，入射雷射束散開，使輸出雷射束LO的直徑在穿過光學元件500後增大。因此， 與未包括光學元件500的情況相比，在測量區域的物體的目標表面上的照射面積也增大。圖10是表示光學元件500產生的第一輸出雷射束Ll在垂直面F上的示例性投影圖案Pl的示意圖。當具有旋轉裝置400A的雷射雷達設備100C設置在水平面上、並且第一輸出雷射束Ll沿著水平方向從雷射雷達設備100C發出時，獲得投影圖案Pl。因此，如果在測量區域中準備一個垂直面F、並且第一輸出雷射束Ll入射到垂直面F上，第一輸出雷射束Ll的強度的分布具有圓形形狀，如圖10所示。在圖10中表示出光學元件500產生的環形投影圖案P1。在被平反射部分412的平鏡面41 偏轉之後，環形投影圖案Pl被繪製到垂直於第一輸出雷射束Ll的軸線的平面 F上。環形投影圖案Pl包括暗區Al和明區A2，其中照射到明區A2的第一輸出雷射束Ll 的強度大於照射到暗區Al的第一輸出雷射束Ll的強度。暗區Al被明區A2包圍。利用一些公知的光譜技術也可以產生除了環形投影圖案Pl以外的其它圖案。在此實施例中，通孔32具有圓形橫截面，其與第一輸出雷射束Ll的軸線相同，如圖5所示。即，如果通孔32投影到垂直於第一輸出雷射束Ll的軸線的平面上，則通孔32 的投影圖像是圓。通孔32可以具有諸如橢圓形等的其它形狀的橫截面。並且，鏡子組件300A包括作為束分裂裝置的半鍍銀鏡子80。半鍍銀鏡子80設計成與輸出雷射束LO的軸線同軸，即與通孔32的軸線同軸。鏡子組件300A將輸出雷射束LO 分裂成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束 L2的方向彼此不同。第一輸出雷射束Ll具有與第一實施例的輸出雷射束LO相同的光路。 即，第一輸出雷射束Ll入射到凹面鏡401。因此，可以執行反饋控制操作，根據光電二極體 20檢測的第二輸出雷射束L2的強度，調節輸出雷射束LO的輸出強度，如圖4所示。根據此實施例的雷射雷達設備100C具有前面實施例可以達到的相同優點。雷射雷達設備100C還具有位於在雷射二極體10與測量區域之間的輸出雷射束LO的軸線上的光學元件500。輸出雷射束LO透過光學元件500，並轉換成具有預定投影圖案，該預定投影圖案覆蓋比由光學透鏡60準直的輸出雷射束LO的橫截面大的橫截面。因此，物體反射回來的輸入雷射束L3的分布被設計成防止輸入雷射束L3進入通孔32。因此，可以有效防止輸入雷射束L3在穿過鏡子組件300A的過程中造成的損失或衰減。並且，在雷射雷達設備100C中，具有凹形表面的凹面鏡342將雷射二極體10發射的第一輸出雷射束Ll朝設備100C外部的測量區域偏轉，並且如果存在物體的話，將來自測量區域的物體的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。因此，根據此實施例的雷射雷達設備100C 具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性，而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。並且，凹面鏡410包括具有平鏡面41 的平反射部分412，其設計使雷射二極體 10發射的輸出雷射束LO射到平鏡面41 並被平鏡面41 反射。因此，可以防止當第一輸出雷射束Ll被凹面鏡410偏轉時引起的漫射現象。因此，雷射雷達設備100C具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性。並且，設備100C包括位於雷射雷達10與鏡子組件300A的通孔32之間的輸出雷射束LO的軸線上的光學元件500。在這種結構中，僅僅輸出雷射束LO進入光學元件500。 即，輸入雷射束L3不透過光學元件500。這樣，光學元件500不會使輸入雷射束L3衰減。 因此，雷射雷達設備100C具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性。並且，光學元件500包括透射型衍射光柵，以產生輸出雷射束LO的預定投影圖案。 在光學元件500中，入射雷射束散開，使輸出雷射束LO的直徑在穿過光學元件500後增大。 因此，與未包括光學元件500的情況相比，在測量區域的物體的目標表面F上的照射面積也增大。因此，光束轉換裝置包括光學元件500。因而，通過光學元件500可以容易和確保實現光束轉換裝置的功能。輸出雷射束LO的預定投影圖案包括暗區Al和明區A2，其中照射到明區A2的輸出雷射束LO的強度大於照射到暗區Al的輸出雷射束LO的強度。這樣，鏡子組件300A可以減少輸入雷射束L3通過通孔32產生的輸入雷射束L3的損失。因此，雷射雷達設備100C 具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性。並且，在根據此實施例的雷射雷達設備100C中，可以得到與前面實施例相同的優
點ο第五實施例參看圖12-13，下面將描述根據本發明第五實施例的雷射雷達設備100D。
圖12是根據本發明第五實施例的雷射雷達設備100D的示意圖。在此實施例中，與第一實施例的差別在於旋轉裝置400B與第四實施例所用的旋轉裝置400A的不同結構，以及不存在作為設備100C中包括的光束轉換裝置的光學元件 500。旋轉裝置400B具有凹面鏡420。因此，將省略與第四實施例中所用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。如圖12所示，根據此實施例的雷射雷達設備100D包括鏡子組件300A、控制器82 和存儲器84。在此實施例中，投射光學系統包括作為雷射束髮生裝置的元件的雷射二極體 10、作為旋轉驅動裝置的電機50、作為雷射束準直裝置的光學透鏡60、鏡子組件300A、以及作為光偏轉裝置的凹面鏡420 ；光檢測系統包括作為光偏轉裝置的凹面鏡420、鏡子組件 300A、作為光檢測裝置的元件的光電二極體20、以及作為旋轉驅動裝置的電機50。鏡子組件300A包括鏡子30和半鍍銀鏡子80。如第一實施例的情況一樣，鏡子30成預定角度設置，例如，相對輸出雷射束LO的軸線成大約45度的角度。並且，鏡子30具有通孔32，輸出雷射束LO經過它不會有任何強度損失。並且，鏡子30具有將輸入雷射束L3朝光電二極體20反射的反射面31。輸出雷射束LO透過鏡子30變成第一輸出雷射束Li，而輸入雷射束L3被鏡子組件300A的鏡子30反射。在透過鏡子組件300A之後，第一輸出雷射束Ll具有與輸出雷射束LO相同的軸線。鏡子30基本是由具有兩個表面的板形成的。鏡子30具有對應於鏡子30 —個表面的反射面 31以及通孔32。反射面31與輸出雷射束LO的軸線形成預定角度。通孔32具有其中心軸線並穿透鏡子30，使通孔32的中心軸線與反射面31相交。根據此實施例的鏡子組件300A將輸出雷射束LO分裂成第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2。第一輸出雷射束Ll和第二輸出雷射束L2的方向彼此不同。第一輸出雷射束Ll具有與第一實施例的輸出雷射束LO相同的光路。即，第一輸出雷射束Ll射到凹面鏡420上。並且提供外殼3，用於裝雷射二極體10、光電二極體20、鏡子組件300、光學透鏡 60和旋轉裝置400B。外殼3具有光學窗口 4，輸出雷射束LO和輸入雷射束L3可以通過它分別從設備100發射出去和進入設備100。光學窗口 4由諸如透明玻璃的透明板5覆蓋， 以便防止設備100的凹面鏡420和其它元件暴露在灰塵中，像根據上述第二實施例的設備 100A 一樣。並且，根據此實施例的雷射雷達設備100D包括旋轉裝置400B。旋轉裝置400B布置成繞與第一輸出雷射束Ll的軸線相同的旋轉軸線旋轉，從而在水平方向的角掃描範圍可以達到高達360度。旋轉裝置400B包括凹面鏡420，凹面鏡420將第一輸出雷射束Ll朝測量區域偏轉並將物體反射回來的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。凹面鏡420對應於光偏轉裝置。為了驅動旋轉裝置400B執行連續的旋轉運動，提供電機50。電機50具有驅動旋轉裝置400B和凹面鏡420的輸出軸51。電機50對應於旋轉驅動裝置。為了檢測電機50 的旋轉角度，提供旋轉角度傳感器52，並將其連接到電機50。凹面鏡420包括具有凹形鏡面421a的凹反射部分421以及具有平鏡面42 的平反射部分422。凹面鏡420的表面由平反射部分422的平鏡面42 和凹形鏡面421a覆蓋， 使平鏡面41 被凹形鏡面421a包圍。並且，平鏡面42 設計成使第一輸出雷射束Ll射到平鏡面42 並被平鏡面42 反射。S卩，凹面鏡420的平鏡面42 設置成與第一輸出雷射束Ll的軸線同軸。旋轉裝置400B具有旋轉軸線51a，它形成為電機50的輸出軸51的軸線。旋轉軸線51a與輸出雷射束LO在雷射二極體10和凹面鏡420之間的軸線一致。凹面鏡401的凹反射部分421的焦點在旋轉裝置400B的旋轉軸線51a上。因此，在物體反射回來的輸入雷射束L3被凹面鏡420的凹反射部分421反射之後，輸入雷射束L3會聚到位於旋轉軸線51a 上的焦點。並且，在根據此實施例的雷射雷達設備100D中，凹面鏡420的平反射部分422包括反射型衍射光柵。平反射部分422將第一輸出雷射束Ll朝測量區域反射，並將第一輸出雷射束Ll轉換成產生預定投影圖案，該預定投影圖案覆蓋比光學透鏡60準直的輸出雷射束LO的橫截面大的橫截面。入射到平反射部分422的雷射束Ll是光學透鏡60準直的平行光線的雷射束。入射雷射束散開，使輸出雷射束LO的直徑通過平反射部分422反射後增大。圖13是表示由包括反射型衍射光柵的平反射部分422產生的第一輸出雷射束Ll 的示例性投影圖案Pl的示意圖。當具有旋轉裝置400B的雷射雷達設備100D設置在水平面上、並且第一輸出雷射束Ll沿著水平方向從雷射雷達設備100D發出時，獲得投影圖案Pl。因此，如果在測量區域中準備一個垂直面F、並且第一輸出雷射束Ll入射到垂直面F上，第一輸出雷射束Ll的強度的分布具有圓形形狀，如圖13所示。在圖13中表示出由平反射部分422產生的環形投影圖案P1。在被平反射部分422 的平鏡面42 偏轉之後，環形投影圖案Pl被繪製到垂直於第一輸出雷射束Ll的軸線的平面F上。環形投影圖案Pl包括暗區Al和明區A2，其中照射到明區A2的第一輸出雷射束 Ll的強度大於照射到暗區Al的第一輸出雷射束Ll的強度。暗區Al被明區A2包圍，類似於圖10所示的情況。根據此實施例的雷射雷達設備100D具有前面實施例可以達到的相同優點。雷射雷達設備100D還具有包括反射型衍射光柵的凹面鏡420的平反射部分422。平反射部分 422位於雷射二極體10與測量區域之間的輸出雷射束LO的軸線上。第一輸出雷射束Ll被凹面鏡420的平反射部分422反射，並轉換成具有預定投影圖案，該預定投影圖案覆蓋比光學透鏡60準直的輸出雷射束LO的橫面積大的橫截面。因此，物體反射回來的輸入雷射束 L3的分布被設計成防止輸入雷射束L3進入通孔32。因此，可以有效改善輸入雷射束L3在穿過鏡子組件300A的過程中造成的損失或衰減。並且，在雷射雷達設備100D中，作為具有凹形表面的物體的凹面鏡442將雷射二極體10發射的輸出雷射束LO朝設備100D外部的測量區域反射，並且如果存在物體的話， 將來自測量區域中的物體的輸入雷射束L3朝鏡子30偏轉。因此，根據此實施例的雷射雷達設備100D具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性，而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。並且，凹面鏡420包括具有平鏡面42 的平反射部分422，其設計成使雷射二極體10發射並且被半鍍銀鏡子80分裂的第一輸出雷射束Ll射到平鏡面42 並被平鏡面42 反射。因此，可以防止凹面鏡420反射輸出雷射束LO的過程中引起的光束漫射現象。因此，雷射雷達設備100D具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性。
並且，在此實施例中，平反射部分422包括反射型衍射光柵，它將雷射束轉換成具有預定投影圖案。在這種結構中，需要在鏡子組件300A與經過凹面鏡420的測量區域之間提供任何諸如圖9所示光學元件500的光學元件。因此，可以減小雷射雷達設備的尺寸。因此，根據此實施例的雷射雷達設備100D具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性，而不會犧牲雷射雷達設備的小尺寸。並且，平反射部分422包括反射型衍射光柵，以產生第一輸出雷射束Ll的預定投影圖案。在平反射部分422中，入射雷射束散開，使輸出雷射束LO的直徑增大。因此，與未包括光學元件500的情況相比，在測量區域的物體的目標表面F上的照射面積也增大。因此，通過平反射部分422可以容易和確保實現光束轉換裝置的功能。第一輸出雷射束Ll的預定投影圖案Pl包括暗區Al和明區A2，其中照射到明區 A2的第一輸出雷射束Ll的強度大於照射到暗區Al的第一輸出雷射束Ll的強度。這樣，鏡子組件300A可以減少輸入雷射束L3通過通孔32產生的輸入雷射束L3的損失。因此，雷射雷達設備100D具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性。並且，在根據此實施例的雷射雷達設備100D中，可以得到與前面實施例相同的優點ο第六實施例參看圖14-15，下面描述根據本發明第六實施例的雷射雷達設備100E。圖14是根據本發明第六實施例的雷射雷達設備100E的示意圖。在此實施例中，與第四實施例的差別在於旋轉裝置400C與旋轉裝置400B的不同結構，因為旋轉裝置400C包括與凹面鏡420不同的凹面鏡430。因此，將省略與第四實施例中所用的功能和結構相同的雷射雷達設備的組成部分的詳細討論。雷射雷達設備100E具有包括凹面鏡430的旋轉裝置400C。凹面鏡430包括具有凹形鏡面431a的凹反射部分431以及具有平鏡面43 的平反射部分432。反射部分431 具有與第四實施例中給出的反射部分421相同的結構。凹反射部分431的凹形鏡面431a 包圍平反射部分432的平鏡面43加。平反射部分432的平鏡面43 位於雷射二極體10發射的輸出雷射束LO的軸線上。更詳細地，由半鍍銀鏡子80分裂的第一輸出雷射束Ll照射到平鏡面43加。旋轉裝置400C具有旋轉軸線51a，它形成為電機50的輸出軸51的軸線。旋轉軸線51a與輸出雷射束LO和第一輸出雷射束Ll在雷射二極體10與凹面鏡430之間的軸線重合。凹面鏡430的凹反射部分431的焦點在旋轉裝置400B的旋轉軸線51a上。因此，在物體反射回來的輸入雷射束L3被凹面鏡430的凹反射部分431偏轉之後，輸入雷射束L3 會聚到位於旋轉軸線51a上的焦點。並且，在根據此實施例的雷射雷達設備100E中，凹面鏡430的平反射部分432包反射型衍射光柵。平反射部分432將雷射二極體10發射並透過半鍍銀鏡子80的輸出雷射束LO朝測量區域反射，並將輸出雷射束LO轉換成產生預定投影圖案，該預定投影圖案覆蓋比光學透鏡60準直的輸出雷射束LO的橫截面大的橫截面。入射到平反射部分432的雷射是光學透鏡60準直的平行光線的雷射束。入射雷射束散開，使第一輸出雷射束Ll的直徑通過平反射部分432偏轉後增大。圖15是表示包括反射型衍射光柵的平反射部分432產生的第一輸出雷射束Ll的示例性投影圖案P2的示意圖。投影圖案P2與投影圖案Pl不同。當具有旋轉裝置400C的雷射雷達設備100E設置在水平面上、並且第一輸出雷射束Ll沿著水平方向從雷射雷達設備100E發出時，獲得投影圖案P2。因此，如果在測量區域中準備一個垂直面F、並且第一輸出雷射束Ll入射到垂直面F上，第一輸出雷射束Ll的強度的分布具有矩形形狀，如圖15所示。如圖15所示，投影圖案P2在平行於旋轉軸線51a的垂直方向具有三個矩形區域。 因此，投影圖案P2是具有較長邊和較短邊的長窄狀的矩形。即，投影圖案P2包括暗區A3 和一對明區A4，暗區A3夾在一對明區A4之間。長邊的長度Wl大於短邊的長度W2，如圖15 所示。根據此實施例的雷射雷達設備100E，可以得到與第五實施例相同的優點。並且，平反射部分432將入射雷射束轉換成具有投影圖案P2。投影圖案P2具有一對明區A4以及夾在這對明區A4之間的暗區A3。因此，鏡子組件300A可以減小照射通孔32的輸入雷射束L3產生的輸入雷射束L3的損失。因此，雷射雷達設備100E具有改進的束分裂效率，提高檢測物體方向和距離的準確性，並且，投影圖案P2具有長窄狀矩形的形狀，矩形長邊平行於旋轉軸線51a;並具有一對明區A4，該對明區沿平行於旋轉軸線51a的方向將暗區A3夾在中間。因此，可以提高物體方向的解析度。實施例的修改雖然為了更好地理解本發明已經參照優選實施例描述了本發明，但應該理解的是，在不偏離本發明原理的情況下，可以按不同方式實施本發明。例如，在第一和第二實施例中，光學透鏡60處於雷射二極體10和鏡子30之間。光學透鏡60相當於準直裝置。但是，也可以去除光學透鏡60。在這種情況下，輸出雷射束LO 漫射並穿過通孔32。並且，優選地，光學透鏡60包括會聚透鏡。並且，在第一和第二實施例中，鏡子的通孔32設計成，如果通孔32投影到垂直輸出雷射束LO中心軸線的平面上，通孔32的投影圖像是圓形。但是，也允許通孔32的投影圖像是矩形和其它形狀。並且，在第二實施例中，採用光電二極體20檢測第二輸出雷射束L2和輸入雷射束 L3。但是，優選地使用兩個光電二極體，一個用於檢測第二輸出雷射束L2，另一個用於檢測輸入雷射束L3。在這種情況下，如果可以使用分散裝置，則它處於鏡子組件300A與光電二極體20之間。並且，在第三實施例中，設備包括具有第一狹縫93的第一蓋件92以及具有第二狹縫96的第二蓋件95。但是，允許僅僅包括第一和第二蓋件92、96之一。並且，用適於僅僅透射雷射束的濾光片覆蓋狹縫93、96。在第三實施例中，狹縫93、96形成圓形形狀。但是，狹縫的形狀並不限於圓形。諸如多邊形等其它形狀也可以接收。此外，第二、第四、第五和第六實施例的雷射雷達設備還可以包括第三實施例公開的具有第一狹縫93的第一蓋件92以及第二蓋件95。在第四、第五和第六實施例中，鏡子組件300A包括半鍍銀鏡子80。但是，允許鏡子組件300A不包括半鍍銀鏡子80。
權利要求
1.一種雷射雷達設備，用於測量物體的距離和到物體的方向，所述物體處於所述雷射雷達設備的測量區域，所述雷射雷達設備包括雷射束髮生裝置，用於產生具有軸線的雷射束、並將雷射束朝測量區域發射； 光檢測裝置，用於檢測由處於測量區域的物體反射回來的反射雷射束； 鏡子組件，所述鏡子組件包括反射面，所述反射面布置成與雷射束髮生裝置發射的雷射束的軸線成預定角度、並將物體反射回來的反射雷射束朝光檢測裝置反射；光偏轉裝置，用於將雷射束髮生裝置發射的雷射束朝測量區域偏轉、並將處於測量區域的物體反射回來的雷射束朝所述鏡子組件偏轉，光偏轉裝置具有旋轉軸線和鏡面；旋轉驅動裝置，用於使光偏轉裝置繞光偏轉裝置的旋轉軸線旋轉，使得光偏轉裝置的鏡面被轉動到沿著測量區域的方向朝向； 其特徵在於，所述雷射雷達設備還包括通孔，所述通孔穿過所述鏡子組件、與從雷射束髮生裝置發射的雷射束的軸線同軸、並且使雷射束髮生裝置發射的雷射束通過；以及光束轉換裝置，用於將雷射束髮生裝置發射的雷射束轉換成具有預定投影圖案的轉換雷射束，所述光束轉換裝置布置成位於雷射束髮生裝置與測量區域之間的雷射束髮生裝置發射的雷射束的光路上；其中，所述光束轉換裝置將雷射束髮生裝置發射的雷射束轉換成具有預定投影圖案， 該預定投影圖案覆蓋比入射雷射束橫截面大的區域；光偏轉裝置的鏡面具有包括平鏡面的平反射部分、和包括凹形鏡面的凹反射部分，所述凹形鏡面具有位於所述光偏轉裝置的旋轉軸線上的焦點；光偏轉裝置的凹形鏡面將處於測量區域的物體反射回來的反射雷射束朝鏡子組件偏轉；以及光偏轉裝置的平鏡面將雷射束髮生裝置發射的雷射束朝測量區域偏轉。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述光束轉換裝置被嵌在光偏轉裝置的平鏡面中，使得雷射束髮生裝置發射的雷射束被轉換成在測量區域具有預定投影圖案。
3.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述光束轉換裝置被布置成位於雷射束髮生裝置與鏡子組件的通孔之間的雷射束髮生裝置發射的雷射束的軸線上。
4.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於 所述光束轉換裝置包括衍射光柵。
5.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述預定投影圖案包括明區以及被明區包圍的暗區，並且照射到明區的光的量多於照射到暗區的光的量。
6.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述預定投影圖案包括一對明區和夾在這對明區之間的暗區。
7.根據權利要求6所述的設備，其特徵在於所述預定投影圖案設計成，所述一對明區以預定間隔位於所述光偏轉裝置的旋轉軸線上。
全文摘要
本發明提供一種光學雷射雷達，包括雷射束髮生裝置、光檢測裝置、鏡子、光偏轉裝置和旋轉驅動裝置。雷射束髮生裝置發射具有軸線的雷射束。光檢測裝置檢測物體反射回來的反射雷射束。鏡子包括使激束光通過的通孔、以及將物體反射回來的反射雷射束朝光檢測裝置反射的反射面。光偏轉裝置將雷射束朝測量區域偏轉、並將物體的反射雷射束朝鏡子偏轉。旋轉驅動裝置使光偏轉裝置旋轉，從而將雷射束導向測量區域。
文檔編號G01S7/481GK102176023SQ20111002163
公開日2011年9月7日 申請日期2008年2月13日 優先權日2007年2月6日
發明者岡田匡憲, 田中秀幸, 野尻忠雄, 鴻巢光司 申請人:電裝波動株式會社