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CN107209265A - 光探测和测距装置 - Google Patents

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CN107209265A CN201680007017.7A CN201680007017A CN107209265A CN 107209265 A CN107209265 A CN 107209265A CN 201680007017 A CN201680007017 A CN 201680007017A CN 107209265 A CN107209265 A CN 107209265A
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Abstract

本发明涉及光探测和测距(LIDAR)装置，其通过以扫描方式沿视野内的各方向发射激光束并沿各方向分别获得反射光来计算与反射体的距离。本发明的LIDAR装置包括光源、旋转镜、接收镜、光检测部和计算部。光源生成光源光。旋转镜以沿两个轴线方向可旋转的方式设置在光源光的光路径上以使得其反射面的方向随时间可变，并且通过随时间改变方向来朝向前方反射光源光以作为扫描光。接收镜设置在旋转镜的前侧且反射接收光，该接收光是被外部反射体反射而返回的扫描光，其中在面向旋转镜的位置形成有光透射部，以使入射至旋转镜的光源光和从旋转镜出射的扫描光的光路径不被阻挡。光检测部检测被接收镜所反射的接收光。计算部基于从生成光源光到检测到接收光为止的飞行时间计算与外部反射体的距离。该LIDAR装置具有如下效果：能够快速且有效地进行扫描，且紧凑，因此相比沿视野内的所有方向同时发射激光的现有装置，显著降低所需要的激光输出且降低制造成本和运行成本。

Description

光探测和测距装置
技术领域
本发明涉及测量装置，尤其涉及使用光学手段测量与测量目标物的距离和测量目标物的形状的装置。
背景技术
光探测和测距(LIDAR：Light Detection And Ranging)指的是利用光来检测目标物并测量与目标物的距离。光探测和测距的功能与无线电探测和测距(RADAR：RadioDetection And Ranging)的功能类似，但差异在于RADAR使用电波而LIDAR使用光，出于该原因，LIDAR也称为“图像RADAR”。由于光和微波之间的多普勒效应差异，LIDAR的方位分辨能力和距离分辨能力比RADAR优异。
作为LIDAR装置，主要使用在卫星或航空器中发射激光脉冲且在地面观测站中接收被大气中的颗粒后向散射后的脉冲的航空LIDAR，这种航空LIDAR用于除了测量风信息之外还测量灰尘、烟雾、浮质、云颗粒等的存在和移动，并且分析大气中的灰尘颗粒的分布或大气污染度。然而，最近，考虑到在国防领域(例如监视侦察机器人、战斗机器人、无人水面舰艇、无人直升机)和民用领域(例如民用移动机器人，智能车辆，无人驾驶车辆)中的应用，还正在积极地研究通过将发射系统和接收系统都设置在地面上来执行检测障碍物、对地形进行建模、获取目标物的位置等功能的地上LIDAR。
地上LIDAR装置通常包括：发射光学系统，其发射激光脉冲；接收光学系统，其接收被外部物体反射的反射光；以及分析部，其确定所述物体的位置。其中，所述分析部确定从发射至接收反射光所需的时间，计算与对光进行反射的物体的距离，尤其针对从各方向接收的反射光计算距离，从而可以在对应于视野(FOV:Field of View)的图像内制作距离图。
然而，现有的地上LIDAR装置发射具有与视野对应的较宽的光束宽度的激光，且同时从视野内的所有方向获得反射光，从而获得与反射体的距离，因此需要输出非常高的激光模块，所以具有成本很高的问题。此外，输出高的激光模块的尺寸大，因此导致LIDAR装置的整体尺寸增加。
尤其是，具有全景扫描(Panoramic Scanning)功能的LIDAR装置包括发射光学系统和接收光学系统，使得整个装置旋转以运行。这种装置的示例在美国专利申请公开第2011/0216304号、第2012/0170029号和第2014/0293263号,以及美国专利公告第8836922号中公开。然而，在如上所述使整个装置旋转的情况下，系统尺寸进一步变大，这不仅导致在美学方面不美观而且进一步加剧成本和功耗增加的问题。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种LIDAR装置，其通过以扫描方式沿视野内的各方向发射激光束并沿各方向分别获得反射光以计算与反射体的距离，能够快速且有效地进行扫描，显著降低所消耗的激光输出，具有紧凑的尺寸，且减少制造成本和运行成本。
技术方案
用于实现上述目的的本发明的LIDAR装置可以被设置在诸如军事哨所的固定体上方或设置在诸如机器人、车辆等的移动体上方，以用于检测附近的目标物并获得与所检测到的目标物的距离。
为此，根据本发明的LIDAR装置包括光源、旋转镜、接收镜、光检测部和计算部。所述光源生成光源光。旋转镜以沿两个轴线方向可旋转的方式设置在光源光的光路径上以使得其反射面的方向随时间可变，并且通过随时间改变方向来朝向前方反射所述光源光以作为扫描光。接收镜设置在所述旋转镜的前侧且反射接收光，所述接收光是被外部反射体反射而返回的扫描光，其中在所述接收镜的面向旋转镜的位置形成有光透射部，以使入射至所述旋转镜的光源光和从所述旋转镜出射的扫描光的光路径不被阻挡。光检测部检测被所述接收镜所反射的所述接收光。计算部基于从生成光源光到检测到接收光为止的飞行时间计算与外部反射体的距离。
在优选实施例中，LIDAR装置还包括广角透镜，其设置在所述扫描光的行进路径上以扩大所述扫描光的出射角度。
在一实施例中，LIDAR装置还包括聚光透镜，所述聚光透镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，光检测部检测被聚光透镜所聚集的接收光。此外，LIDAR装置还可以包括光源镜，所述光源镜朝向所述旋转镜反射从光源射出的所述光源光。
在另一实施例中，LIDAR装置还包括凹面镜，其聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，光检测部检测由凹面镜所聚集的所述接收光。优选地，根据上述实施例的LIDAR装置还包括检测器镜，其朝向光检测部反射由所述凹面镜所聚集的接收光。此外，所述LIDAR装置还可以包括光源镜，其朝向旋转镜反射从所述光源射出的光源光。在上述情况下，优选地，所述检测器镜和所述光源镜具有彼此不同方向的反射面且一体地形成。
在又一实施例中，LIDAR装置包括棱镜，其包括倾斜面、设置成朝向所述前方的第一侧面和与所述第一侧面垂直的第二侧面，在所述倾斜面上形成有光入射部，该光入射部包括与所述第一侧面平行的光源入射面。在该情况下，所述旋转镜设置在所述光源入射面的外侧，所述倾斜面的内侧面用作接收镜。在优选实施例中，所述棱镜的光入射部由从所述倾斜面朝向外侧突出的突出部或从所述倾斜面向所述棱镜内侧凹陷的凹槽形成。
或者，根据本发明的LIDAR装置包括光源、旋转镜、上部镜、光检测部、接收镜和计算部。所述光源生成光源光。旋转镜以沿两个轴线方向可旋转的方式设置在光源光的光路径上以使得其反射面的方向随时间可变，并且通过随时间改变方向来朝向前方反射所述光源光以作为扫描光。上部镜被设置在所述旋转镜的上侧，以朝向侧下方反射扫描光且朝向下方反射接收光，所述接收光是被外部反射体反射而返回的扫描光。光检测部检测所述接收光。接收镜设置在所述旋转镜的前侧，且朝向光检测部反射被上部镜反射的接收光，其中在所述接收镜的面向旋转镜的位置形成有光透射部，以使入射至所述旋转镜的光源光和从所述旋转镜出射的扫描光的光路径不被阻挡。计算部基于从生成光源光到检测到接收光为止的飞行时间计算与外部反射体的距离。
在一实施例中，LIDAR装置还包括聚光透镜，所述聚光透镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，光检测部检测被聚光透镜所聚集的接收光。此外，优选地，LIDAR装置还可以包括光源镜，所述光源镜朝向旋转镜反射从光源射出的所述光源光。
在另一实施例中，LIDAR装置还包括凹面镜，其聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，光检测部检测由凹面镜所聚集的所述接收光。优选地，根据上述实施例的LIDAR装置还包括检测器镜，其朝向光检测部反射由所述凹面镜所聚集的接收光。此外，所述LIDAR装置还可以包括光源镜，其朝向旋转镜反射从所述光源射出的光源光。在上述情况下，优选地，所述检测器镜和所述光源镜具有彼此不同方向的反射面且一体地形成。
在又一实施例中，LIDAR装置包括棱镜，其包括倾斜面、设置成朝向所述上部镜的第一侧面和与所述第一侧面垂直的第二侧面，在所述倾斜面上形成有光入射部，该光入射部包括与所述第一侧面平行的光源入射面。在该情况下，所述旋转镜设置在所述光源入射面的外侧，所述倾斜面的内侧面用作接收镜。在优选实施例中，所述棱镜的光入射部由从所述倾斜面朝向外侧突出的突出部或从所述倾斜面向所述棱镜内侧凹陷的凹槽形成。
优选地，所述上部镜为顶点位于下部的锥形形状的镜，或反射面向下凸出的凸面镜。
上部镜可以具有对称形状以在所有水平方向上具有相同的反射角特性，也可以具有非对称形状以在所有水平方向中的至少一部分方向上具有不同的反射角特性。
有益效果
根据本发明，从激光模块射出的具有较窄的光束宽度的激光通过高速旋转的微镜对视野内的所有方向进行高速扫描并射出，因此相比沿视野内的所有方向同时射出激光的现有装置具有显著降低所需要的激光输出的效果。
因此，可以显著减小LIDAR装置的制造成本，且显著减小激光模块的尺寸和装置的整体尺寸，使得所述LIDAR装置变得紧凑。此外，与减小的激光输出相应地，在装置运行过程中的功耗也显著减小。此外，由于光发射光学系统和接收光学系统一体形成，因此显著减小LIDAR装置的尺寸。尤其是，由于仅装置内部的微镜旋转而装置整体不旋转，因此不需要用于旋转的机构，从而可以制造非常小型的LIDAR装置且可以提高LIDAR装置的美感。
此外，随着减小激光束的宽度，可以显著增加沿各个扫描方向射出的激光的输出，因此，可以显著提高距离分辨能力，从而具有可以精确地创建距离图且精确地测量距离和形状的优点。
上述本发明的LIDAR装置可以应用于民用移动机器人(诸如监视侦察机器人、FA(工厂自动化)用输送机器人、无人船、民用无人直升机)，且还可以应用于智能车辆和未来的无人驾驶车辆。此外，本发明的装置可以应用于国防机器人(诸如监视侦察机器人或战斗机器人)或武器系统(诸如无人水面舰艇、无人直升机、无人侦察机)以提高装置的精度且显著增强军事力量。
附图说明
以下，参照附图说明本发明的优选实施例。在附图中对相同或相应的构件赋予相同的附图标记。
图1是示出根据本发明的LIDAR装置的第一实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图2是示出在图1的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图3是示出在图1的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
图4是示出图1的LIDAR装置的电气结构的框图。
图5是示出根据本发明的LIDAR装置的第二实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图6是示出在图5的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图7是示出在图5的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
图8是示出根据本发明的LIDAR装置的第三实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图9是示出在图8的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图10是示出在图8的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
图11是示出图8中所示的三角棱镜的变型实施例的图。
图12是示出根据本发明的另一实施例的棱镜的形状的图。
图13是示出根据本发明的又一实施例的棱镜的形状的图。
图14是示出根据本发明的LIDAR装置的第四实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图15是示出在图14的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图16是示出在图14的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
图17是示出根据本发明的LIDAR装置的第五实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图18是示出在图17的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图19是示出在图17的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
图20是示出根据本发明的LIDAR装置的第六实施例的发射和接收光学系统的结构的图。
图21是示出在图20的LIDAR装置中发射光的光路径的图。
图22是示出在图20的LIDAR装置中接收光的光路径的图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的第一实施例的LIDAR装置包括光源100、在图1中设置在光源100的上方的光源镜120、设置在光源镜120的侧方的接收镜130和微镜140、以及以光源镜120为基准设置在接收镜130的相反侧的聚光透镜170和光检测部180。
光源100生成并发射用于扫描距离测量目标物的光源激光(以下，称为“光源光”)。所述光源光优选为脉冲激光。光源镜120为四角形或圆形，且朝向微镜140反射从光源100发射的光源光。
微镜140将被光源镜120反射的光源光再反射，以使再反射的激光(以下称为“扫描光”)朝向装置的前方(图中的上方)行进。微镜140可以以其前表面为基准沿左右方向和上下方向旋转，在反复执行周期性地沿上下方向转动后返回到上方的操作的同时，在微镜140的方向从上至下改变一次的期间，微镜140沿左右方向旋转多次。因此，被微镜140反射的光以一定的模式扫描视野内的各方向，从LIDAR装置发射的扫描光可以在视野范围内周期性地扫描前方。
微镜140优选使用在微机电系统(MEMS)半导体上设置镜子而成的MEMS镜，但不限于此。MEMS镜例如被详细示出在韩国授权专利第10-0682955号的附图中，本领域技术人员能够基于本说明书容易地实现该MEMS镜，因此省略对其的详细说明。
接收镜130朝向光检测部180方向反射接收光，该接收光是从LIDAR装置射出后被外部反射体反射或散射(以下简称为“反射”)后返回的扫描光。接收镜130为四角形或圆形，在大约中央位置形成有贯通孔132。所述微镜140设置在接收镜130的贯通孔132的后方，入射至微镜140的光源光和从微镜140出射的扫描光可以穿过贯通孔132行进。也就是说，接收镜130在朝向光检测部180反射接收光的同时使得光源光和扫描光的光路径不被阻挡。
在优选的实施例中，在接收镜130和微镜140的组装件的前方(即扫描光的行进路径上)还可以设置有广角透镜150和滤光器152。广角透镜150扩大扫描光出射的角度以使视野变宽。滤光器152仅使由光源100产生的波长带中的光透过以防止其他波长带中的光以噪声混入，阻止诸如水或灰尘的异物被引入，从而保护LIDAR装置的内部的同时防止扫描光和接收光被广角透镜150反射。所述滤光器152可以通过针对广角透镜150的涂层来实现。
聚光透镜170对被广角透镜150折射且被接收镜130反射的接收光进行聚光。光检测部180检测所聚集的接收光。光检测部180例如可以使用一个以上的雪崩光电二极管(APD)阵列。
在根据本发明的LIDAR装置中，发射光和接收光如下所述行进。
如图2所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后被广角透镜150折射。被广角透镜150折射后的扫描光朝向外部反射体(即检测目标物)可能存在的装置前方行进。
此外，如图3所示，被外部反射体反射后返回的接收光被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130反射的接收光由聚光透镜170聚集，然后通过光检测部180转换成电信号。
图4示出图1所示的LIDAR装置的电气结构。LIDAR装置电气性地包括系统控制部200、光发射部202、镜驱动部204、所述光检测部180和绝对距离测量部206。
系统控制部200控制LIDAR装置的整体操作。
光发射部202包括图1所示的光源100，在控制部200的控制下生成激光，所生成的源激光通过图1所述的光学系统被输出。
镜驱动部204在系统控制部200的控制下生成并输出用于驱动微镜140的水平旋转和竖直旋转的镜驱动信号。在优选实施例中，关于微镜140根据镜驱动信号的水平旋转和竖直旋转量的信息被存储在查找表(未示出)中，镜驱动部204参照根据应用领域预先设置在系统控制部200中的扫描区域范围信息并基于存储在查找表中的信息生成镜驱动信号。所述扫描区域范围信息也可根据用户的设置而改变。
如上所述，光检测部180检测由聚光透镜170所聚集的接收光。绝对距离测量部206基于光信号的飞行时间(TOF)(即从由光发射部202生成光源光的时间点开始到接收光被光检测部180检测出的时间点的时长)计算与反射体的距离。如上所述，在优选实施例中，光检测部180使用包括多个雪崩光电二极管(APD)的APD阵列来实现。在该实施例中，绝对距离测量部206以各APD为单位计算与反射体的距离。尤其是，在优选实施例中，绝对距离测量部206构建距离图图像，其中，将针对每个APD计算的距离表示为一个像素。绝对距离测量部206将距离数据和/或距离图图像提供至系统控制部200。
上述LIDAR系统进行如下操作。
如果在系统控制部200的控制下光源100生成并发射光源光，则该光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。
微镜140根据镜驱动部204的驱动而周期性地沿左右方向和上下方向旋转，因此，入射至微镜140的反射光被微镜140沿持续可变的方向反射，所反射的扫描光被广角透镜150折射后朝向装置前方射出。
所出射的扫描光在被外部反射体反射或散射后返回。所返回的接收光被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130反射的接收光由聚光透镜170聚集并在光检测部180的APD上成像。而且，光检测部180的各APD将所成像的接收光转换成电信号。
绝对距离测量部206以各APD为单位计算与反射体的距离并构建距离图图像。其中，距离图图像指的是如下图像：图像内与相应的反射点对应的像素的亮度和颜色根据与各反射体反射点的距离而不同。
根据图1所示的光学系统，由于在接收镜130上形成有贯通孔132的位置不能使接收光反射，因此在距离图图像中可能不存在与此对应的部分的信息。然而，如上所述的未检测区域可以通过在不阻挡光路径的范围内使贯通孔132的尺寸尽可能地小而被充分地减小。在一实施例中，微镜140的镜面的直径为约1mm，贯通孔132的直径具有几mm的值。
图5示出本发明的LIDAR装置的第二实施例。
根据本实施例的LIDAR装置包括光源100、在图中设置在光源100的上方的光源镜120、设置在光源镜120的侧方的接收镜130和微镜140、以光源镜120为基准设置在接收镜130的相反侧的凹面反射镜360、设置在所述凹面反射镜360前方的检测器镜362、以及设置在所述检测器镜362上方的光检测部180。在光检测部180的前侧还可设置另外的聚光透镜170。此外，在本实施例中，与第一实施例相同地，在接收镜130和微镜140的组装件的前方(即扫描光的行进路径上)还可以设置有广角透镜150和滤光器152。
光源100、光源镜120、接收镜130、微镜140、广角透镜150、滤光器152、聚光透镜170和光检测部180的结构和功能与图1所示的第一实施例相同，因此省略详细说明。此外，图4所示的电气结构也同样适用于本实施例。
参照图5，凹面反射镜360聚集被广角透镜150折射且被接收镜130反射的接收光。检测器镜362朝向光检测部180方向反射被凹面反射镜360所聚集的接收光。在优选实施例中，检测器镜362与光源镜120一体形成，其中，检测器镜362和光源镜120被分别制造且检测器镜362的背面和光源镜120的背面彼此附接使得检测器镜362和光源镜120朝向彼此相反的方向，或通过在一个构件的两面形成镜面涂层来制造检测器镜362和光源镜120。聚光透镜170聚集被检测器镜362再反射的接收光，以使得接收光能够入射至光检测部180的较窄的传感器面的内部。
在根据本实施例的LIDAR装置中，发射光和接收光如下行进。
如图6所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后被广角透镜150折射。被广角透镜150折射后的扫描光朝向外部反射体(即检测目标物)可能存在的装置前方行进。
此外，如图7所示，被外部反射体反射后返回的接收光被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130反射的接收光被凹面反射镜360聚集。由凹面反射镜360所聚集的接收光被检测器镜362再反射以朝向光检测部180方向，且被聚光透镜170折射并聚集后在光检测部180上成像。
图5所示的LIDAR装置的操作和其他特征与图1所示的装置相同，因此省略详细说明。
图8示出本发明的LIDAR装置的第三实施例。
根据本实施例的LIDAR装置包括光源100、在图中设置在光源100的上方的三角棱镜400。在一实施例中，所述三角棱镜400包括倾斜面402、第一侧面404和第二侧面406，且为具有三角形截面的三角棱镜。尤其是，优选地，所述棱镜400是第一侧面404和第二侧面406彼此垂直的直角棱镜，以使得能够容易地进行各光学部件的加工和组装。
此外，图8的LIDAR装置包括设置在所述三角棱镜400的倾斜面402外侧的光源镜120和微镜140、以及设置在所述三角棱镜400的第二侧面406的外侧的聚光透镜170和光检测部180。此外，在本实施例中，还可以在三角棱镜400的第一侧面404的外侧附加地设置广角透镜150和滤光器152。
光源100、光源镜120、微镜140、广角透镜150、滤光器152、聚光透镜170和光检测部180的结构和功能与图1所示的第一实施例相同或相似，因此省略详细说明。此外，图4所示的电气结构也同样适用于本实施例。
所述棱镜400的倾斜面402执行接收镜130的功能，即朝向光检测部180方向反射从LIDAR装置射出后被外部反射体反射而返回的接收光。通常，棱镜400的倾斜面402自身具有充分的反射特性，但是优选在倾斜面402上形成反射涂层以使反射面朝向棱镜400的内侧，从而能够使光损失最小化。
在所述棱镜400的倾斜面402上形成有朝向外侧突出的突出部410。所述突出部410包括：光源入射面412，其与所述第一侧面404平行；以及竖直面414，其与所述第二侧面406平行且将所述光源入射面412的端部与倾斜面412连接。
光源镜120附接到棱镜400的倾斜面402中突出部410的内侧角部附近。可以通过在棱镜400的倾斜面402上形成用于实现接收镜130的反射涂层后，在所述反射涂层的背面以使反射面朝向外侧的方式形成反射涂层或附接镜子，来实现所述光源镜120。光源镜120执行朝向微镜140反射从光源100射出的光源光的功能。在本实施例中，以使光源光朝向光源镜120的中心的方式将光源100设置在所述光源镜120的下方。
微镜140设置在突出部410的光源入射面412的下方，尤其是，微镜140被设置成在正常状态下朝向所述棱镜400的倾斜面402的光源入射面412和所述光源镜120之间。微镜140将被光源镜120反射后入射的光源光再反射，再反射的扫描光通过棱镜400的光源入射面412和第一侧面404朝向装置的前方(图中的上方)行进。
在根据本实施例的LIDAR装置中，发射光和接收光如下行进。
如图9所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后通过棱镜400的突出部410的光源入射面412入射至棱镜400内部，并通过第一侧面404出射。从棱镜400出射的扫描光被广角透镜150折射。被广角透镜150折射的扫描光朝向外部反射体(即检测目标物)可能存在的装置前方行进。
此外，如图10所示，被外部反射体反射后返回的接收光被广角透镜150折射后通过棱镜400的第一侧面404入射至棱镜400内部。在棱镜400内部，接收光被倾斜面402反射后通过第二侧面406出射，并被聚光透镜170聚集后由光检测部180转换为电信号。
图8所示的LIDAR装置的操作和其他特征与图1所示的装置相同，因此省略详细说明。
根据图8所示的光学系统，由于棱镜400的形成有突出部410的部分中接收光不能被反射，因此在距离图图像中可能不存在与此对应的部分的信息。然而上述未检测区域可以通过在不阻挡光路径的范围内使棱镜400的突出部410的尺寸尽可能地小而被充分地减小。
在图8的实施例的另一变型实施例中，也可以代替突出部410而形成有从倾斜面402向棱镜内部凹陷的凹槽。图11示出根据该实施例的棱镜400a。在图11的实施例中，在棱镜400a的倾斜面402上形成有朝向内侧凹陷的凹槽420，所述凹槽420包括：光源入射面422，其与所述第一侧面404平行；以及竖直面424，其与所述第二侧面406平行且将所述光源入射面422的内侧端部与倾斜面402连接。采用上述棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
此外，在又一实施例中，图8所示的棱镜400可与广角透镜150一体地形成。图12示出根据上述实施例的棱镜440的一示例。在图12的实施例中，棱镜440的第一侧面444不是平面，而是向外侧凸出的曲面，因此，第一侧面444兼备凸透镜的功能。在采用这种棱镜440的情况下，不需要另外设置广角透镜150，因此可以显著减小广角透镜150的制造成本和用于组装和对准广角透镜150的工时。采用这种棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
此外，在又一实施例中，图8所示的棱镜400可与聚光透镜170一体地形成。图13示出根据上述实施例的棱镜460的一示例。在图13的实施例中，棱镜460的第二侧面466不是平面，而是向外侧凸出的曲面，因此，第二侧面466兼备凸透镜的功能。在采用这种棱镜460的情况下，不需要另外设置聚光透镜170，因此可以显著减小聚光透镜170的制造成本和用于组装和对准聚光透镜170的工时。采用这种棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
此外，图14示出根据本发明的LIDAR装置的第四实施例。
参照图14，根据本实施例的LIDAR装置包括光源100、设置在光源100的上方的光源镜120、设置在光源镜120的侧方的接收镜130和微镜140、设置在接收镜130的上方的上部镜160、以及以光源镜120为基准设置在接收镜130的相反侧的聚光透镜170和光检测部180。
光源100生成并发射用于扫描距离测量目标物的光源光。所述光源光优选为脉冲激光。光源镜120为四角形或圆形，且朝向微镜140反射从光源100发射的光源光。
微镜140将被光源镜120反射的光源光再反射，以使再反射的激光(即扫描光)朝向上部镜160方向行进。微镜140可以以其前表面为基准沿左右方向和上下方向旋转，在反复执行周期性地沿上下方向转动后返回到上方的操作的同时，在微镜140的方向从上至下改变一次的期间，微镜140沿左右方向旋转多次。因此，被微镜140反射的光以一定的模式扫描视野内的各方向，从LIDAR装置发射的扫描光可以在视野范围内周期性地扫描前方。
如上所述，微镜140优选使用在MEMS半导体上设置镜子而成的MEMS镜，但不一定限于此。
上部镜160朝向LIDAR装置的侧方向或侧下方反射从微镜140入射的扫描光。此外，上部镜160朝向下方反射从侧方或侧下方入射的光，因此，朝向光检测部180方向反射从LIDAR装置射出后被外部反射体反射或散射(以下简称为“反射”)后返回的接收光。
在本实施例中，上部镜160具有顶点位于下部的锥形形状。然而，在变型的实施例中，上部镜160也可以通过其反射面向下凸出的凸面镜来实现。此外，在所示的实施例中，上部镜160具有对称形状以在所有水平方向上具有相同的反射角特性，但是在其他实施例中也可以具有非对称形状从而以特定方向为中心进行扫描。
接收镜130朝向光检测部180方向反射从上部镜160入射的接收光。接收镜130为四角形或圆形，在大约中央位置形成有贯通孔132。所述微镜140设置在接收镜130的贯通孔132的后方，入射至微镜140的光源光和从微镜140出射的扫描光可以穿过贯通孔132行进。也就是说，接收镜130在朝向光检测部180反射接收光的同时使得光源光和扫描光的光路径不被阻挡。
在优选的实施例中，在接收镜130和微镜140的组装件和上部镜160之间还可以设置有广角透镜150和滤光器152。广角透镜150扩大扫描光出射的角度以使视野变宽。滤光器152仅使由光源100产生的波长带中的光透过以防止其他波长带中的光以噪声混入，阻止诸如水或灰尘的异物被引入，从而保护LIDAR装置的内部同时防止扫描光和接收光被广角透镜150反射。所述滤光器152可以通过针对广角透镜150的涂层来实现。
聚光透镜170聚集被上部镜160反射后被广角透镜150折射且被接收镜130再反射的接收光。光检测部180检测所聚集的接收光。光检测部180例如可以使用一个以上的雪崩光电二极管(APD)阵列。
在根据本发明的LIDAR装置中，发射光和接收光如下所述行进。
如图15所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后被广角透镜150折射。被广角透镜150折射后的扫描光被上部镜160反射而朝向LIDAR装置的侧方或侧下方传播。
此外，如图16所示，被外部反射体反射后返回的接收光被上部镜160朝向下方反射并被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130再反射的接收光由聚光透镜170聚集，然后通过光检测部180转换成电信号。
图4所示的电气结构可以被应用于本实施例。也就是说，根据本实施例的LIDAR装置电气性地包括系统控制部200、光发射部202、镜驱动部204、所述光检测部180和绝对距离测量部206。
系统控制部200控制LIDAR装置的整体操作。
光发射部202包括图14所示的光源100，在控制部200的控制下生成激光，所生成的光源激光通过图14所述的光学系统被输出。
镜驱动部204在系统控制部200的控制下生成并输出用于驱动微镜140的水平旋转和竖直旋转的镜驱动信号。在优选实施例中，关于微镜140根据镜驱动信号的水平旋转和竖直旋转量的信息被存储在查找表(未示出)中，镜驱动部204参照根据应用领域预先设置在系统控制部200中的扫描区域范围信息而基于存储在查找表中的信息生成镜驱动信号。所述扫描区域范围信息也可根据用户的设置而改变。
如上所述，光检测部180检测由聚光透镜170所聚集的接收光。绝对距离测量部206基于光信号的飞行时间(即从由光发射部202生成光源光的时间点开始到接收光被光检测部180检测到的时间点的时长)计算与反射体的距离。如上所述，在优选实施例中，光检测部180使用包括多个雪崩光电二极管(APD)的APD阵列来实现。在该实施例中，绝对距离测量部206以各APD为单位计算与反射体的距离。尤其是，在优选实施例中，绝对距离测量部206构建距离图图像，其中，将针对每个APD计算的距离表示为一个像素。绝对距离测量部206将距离数据和/或距离图图像提供至系统控制部200。
上述LIDAR系统进行如下操作。
如果在系统控制部200的控制下光源100生成并发射光源光，则该光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。
微镜140根据镜驱动部204的驱动而周期性地沿左右方向和上下方向旋转，因此，入射至微镜140的反射光被微镜140沿持续可变的方向反射，所反射的扫描光被广角透镜150折射并被上部镜160反射后朝向LIDAR装置的侧方或侧下方射出。
所出射的扫描光在被外部反射体反射或散射后返回。所返回的接收光被上部镜160朝向下方反射并被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130反射的接收光由聚光透镜170聚集并在光检测部180的APD上成像。而且，光检测部180的各APD将所成像的接收光转换成电信号。
绝对距离测量部206以各APD为单位计算与反射体的距离并构建距离图图像。其中，距离图图像指的是如下图像：图像内与相应的反射点对应的像素的亮度和颜色根据与各反射体反射点的距离而不同。
根据图14所示的光学系统，由于在接收镜130上形成有贯通孔132的位置不能使接收光反射，因此在距离图图像中可能不存在与此对应的部分的信息。然而，如上所述的未检测区域可以通过在不阻挡光路径的范围内使贯通孔132的尺寸尽可能地小而被充分地减小。在一实施例中，微镜140的镜面的直径为约1mm，贯通孔132的直径具有几mm的值。
图17示出本发明的LIDAR装置的第五实施例。
根据本实施例的LIDAR装置包括光源100、设置在光源100的上方的光源镜120、设置在光源镜120的侧向的接收镜130和微镜140；设置在接收镜130的上方的上部镜160；以光源镜120为基准设置在接收镜130的相反侧的凹面反射镜360；设置在所述凹面反射镜360前方的检测器镜362；以及设置在所述检测器镜362上方的光检测部180。在光检测部180的前侧还可设置另外的聚光透镜170。此外，在本实施例中，与第四实施例相同地，在接收镜130和微镜140的组装件和上部镜160之间还可以设置有广角透镜150和滤光器152。
光源100、光源镜120、接收镜130、微镜140、广角透镜150、滤光器152、聚光透镜170和光检测部180的结构和功能与图14所示的第四实施例相同，因此省略详细说明。此外，图4所示的电气结构也同样适用于本实施例。
参照图17，凹面反射镜360聚集被上部镜160反射后被广角透镜150折射且被接收镜130再反射的接收光。检测器镜362朝向光检测部180方向反射被凹面反射镜360聚集的接收光。在优选实施例中，检测器镜362与光源镜120一体形成，其中，检测器镜362和光源镜120被分别制造且检测器镜362的背面和光源镜120的背面彼此附接使得检测器镜362和光源镜120朝向彼此相反的方向，或通过在一个构件的两面形成镜面涂层来制造检测器镜362和光源镜120。聚光透镜170将被检测器镜362再反射的接收光聚集，以使得接收光能够入射至光检测部180的窄传感器面的内部。
在根据本实施例的LIDAR装置中，发射光和接收光如下行进。
如图18所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后被广角透镜150折射。被广角透镜150折射后的扫描光被上部镜160反射而朝向LIDAR装置的侧方或侧下方传播。
此外，如图19所示，被外部反射体反射后返回的接收光被上部镜160朝向下方反射并被广角透镜150折射后入射至接收镜130。被接收镜130再反射的接收光被凹面反射镜360聚集。由凹面反射镜360所聚集的接收光被检测器镜362再反射以朝向光检测部180方向，且被聚光透镜170折射并聚集后在光检测部180上成像。
图17所示的LIDAR装置的操作和其他特征与图14所示的装置相同，因此省略详细说明。
图20示出本发明的LIDAR装置的第六实施例。
根据本实施例的LIDAR装置包括光源100、设置在光源100的上方的三角棱镜400；设置在所述三角棱镜400的倾斜面402外侧的光源镜120和微镜140；设置在所述三角棱镜400的第一侧面404的上方的上部镜160；以及设置在所述三角棱镜400的第二侧面406的外侧的聚光透镜170和光检测部180。此外，与第四实施例同样地，在本实施例中，也可以在三角棱镜400和上部镜160之间附加地设置广角透镜150和滤光器152。
光源100、光源镜120、微镜140、广角透镜150、滤光器152、聚光透镜170和光检测部180的结构和功能与图14所示的第四实施例相同或相似，因此省略详细说明。此外，图4所示的电气结构也同样适用于本实施例。
在一实施例中，棱镜400包括倾斜面402、第一侧面404和第二侧面406，且为具有三角形截面的三角棱镜。尤其是，优选地，所述棱镜400是第一侧面404和第二侧面406彼此垂直的直角棱镜，以使得能够容易地进行各光学部件的加工和组装。
所述棱镜400的倾斜面402执行接收镜130的功能，即朝向光检测部180方向反射从LIDAR装置射出后被外部反射体反射而返回的接收光。通常，棱镜400的倾斜面402自身具有充分的反射特性，但是优选在倾斜面402上形成反射涂层以使反射面朝向棱镜400的内侧，从而能够使光损失最小化。
在所述棱镜400的倾斜面402上形成有朝向外侧突出的突出部410。所述突出部410包括：光源入射面412，其与所述第一侧面404平行；以及竖直面414，其与所述第二侧面406平行且将所述光源入射面412的端部与倾斜面412连接。
光源镜120附接到棱镜400的倾斜面402中突出部410的内侧角部附近。可以通过在棱镜400的倾斜面402上形成用于实现接收镜130的反射涂层后，在所述反射涂层的背面以使反射面朝向外侧的方式形成反射涂层或附接镜子，来实现所述光源镜120。光源镜120执行朝向微镜140反射从光源100射出的光源光的功能。在本实施例中，以使光源光朝向光源镜120的中心的方式将光源100设置在所述光源镜120的下方。
微镜140设置在突出部410的光源入射面412的下方，尤其是，微镜140被设置成在正常状态下朝向所述棱镜400的倾斜面402的光源入射面412和所述光源镜120之间。微镜140将被光源镜120反射后入射的光源光再反射，再反射的扫描光通过棱镜400的光源入射面412和第一侧面404朝向上部镜160的方向行进。
在根据本实施例的LIDAR装置中，发射光和接收光如下行进。
如图21所示，从光源100射出的光源光被光源镜120反射并入射至微镜140。光源光被旋转的微镜140再反射后通过棱镜400的突出部410的光源入射面412入射至棱镜400内部，并通过第一侧面404出射。从棱镜400出射的扫描光被广角透镜150折射。被广角透镜150折射的扫描光被上部镜160反射而朝向LIDAR装置的侧方或侧下方传播。
此外，如图22所示，被外部反射体反射后返回的接收光被上部镜160朝向下方反射并被广角透镜150折射后通过棱镜400的第一侧面404入射至棱镜400内部。在棱镜400内部，接收光被倾斜面402反射后通过第二侧面406射出，并被聚光透镜170聚集后由光检测部180转换为电信号。
图20所示的LIDAR装置的操作和其他特征与图14所示的装置相同，因此省略详细说明。
根据图20所示的光学系统，由于棱镜400的形成有突出部410的部分中接收光不能被反射，因此在距离图图像中可能不存在与此对应的部分的信息。然而上述未检测区域可以通过在不阻挡光路径的范围内使棱镜400的突出部410的尺寸尽可能地小而被充分地减小。
在图20的实施例的另一变型实施例中，也可以代替突出部410而形成有从倾斜面402向棱镜内部凹陷的凹槽，这与上述针对图11所描述的相同。也就是说，在图11的实施例中，在棱镜400a的倾斜面402上形成有朝向内侧凹陷的凹槽420，所述凹槽420包括：光源入射面422，其与所述第一侧面404平行；以及竖直面424，其与所述第二侧面406平行且将所述光源入射面422的内侧端部与倾斜面402连接。采用上述棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
此外，在又一实施例中，图20所示的棱镜400可与广角透镜150一体地形成，这与上述针对图12所描述的相同。也就是说，在图12的实施例中，棱镜440的第一侧面444不是平面，而是向外侧凸出的曲面，因此，第一侧面444兼备凸透镜的功能。在采用这种棱镜440的情况下，不需要另外设置广角透镜150，因此可以显著减小广角透镜150的制造成本和用于组装和对准广角透镜150的工时。采用这种棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
此外，在又一实施例中，图20所示的棱镜400可与聚光透镜170一体地形成，这与上述针对图13所描述的相同。也就是说，在图13的实施例中，棱镜460的第二侧面466不是平面，而是向外侧凸出的曲面，因此，第二侧面466兼备凸透镜的功能。在采用这种棱镜460的情况下，不需要另外设置聚光透镜170，因此可以显著减小聚光透镜170的制造成本和用于组装和对准聚光透镜170的工时。采用这种棱镜的LIDAR装置的操作与上文所描述的相同，因此省略其说明。
以上描述了本发明的优选实施例，然而本发明不限于此，在不脱离本发明的技术思想和必要特征的情况下可以对本发明进行各种变型且以其他具体形式来实施。
例如，在上述描述中记载了在接收镜130上形成有贯通孔132以使通过光源镜120入射的光源光和被微镜140再反射的扫描光的光路径不被阻挡，然而，也可仅从接收镜130上去除镜涂层以使光能够透射，以代替该贯通孔132的形成。
此外，上述实施例中，微镜140被设置在接收镜130的贯通孔132的后方，然而在变型的实施例中，微镜140也可以被设置在贯通孔132内或其前方。尤其是，在微镜140被设置在贯通孔132的前方的情况下，不一定需要诸如贯通孔132的光透射部，在该实施例中，仅使用于微镜140的电力线和信号线穿过接收镜130即可。
此外，在上文描述中说明了滤光器152被设置在广角透镜150前方或前表面，然而在其他实施例中，滤光器152也可以通过被设置在接收镜130或聚光透镜170的前方或在前表面形成涂层来实现。
此外，以上针对多个实施例进行了说明，然而也可以将各实施例的特征组合来实现本发明。
因此，应当理解，上述实施例在所有方面是示例性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述详细说明来限定，从权利要求的意义和范围及其等同概念得到的所有变更或变型形式应被解释为包括在本发明的范围内。

Claims (36)

1.一种光探测和测距装置，包括：
光源，所述光源生成光源光；
旋转镜，所述旋转镜以沿两个轴线方向可旋转的方式设置在所述光源光的光路径上以使得所述旋转镜的反射面的方向随时间可变，并且通过随时间改变方向来朝向前方反射所述光源光以作为扫描光；
接收镜，所述接收镜设置在所述旋转镜的前侧且反射接收光，所述接收光是被外部反射体反射而返回的扫描光，其中在所述接收镜的面向所述旋转镜的位置形成有光透射部，以使入射至所述旋转镜的所述光源光和从所述旋转镜出射的所述扫描光的光路径不被阻挡；
光检测部，所述光检测部检测被所述接收镜所反射的所述接收光；以及
计算部，所述计算部基于从生成所述光源光时刻到检测到所述接收光时刻为止的飞行时间计算与所述外部反射体的距离。
2.根据权利要求1所述的光探测和测距装置，还包括聚光透镜，所述聚光透镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，其中，所述光检测部检测由所述聚光透镜所聚集的所述接收光。
3.根据权利要求1所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光。
4.根据权利要求1所述的光探测和测距装置，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述扫描光的行进路径上以扩大所述扫描光的出射角度。
5.根据权利要求1所述的光探测和测距装置，还包括凹面镜，所述凹面镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，其中，所述光检测部检测由所述凹面镜所聚集的所述接收光。
6.根据权利要求5所述的光探测和测距装置，还包括检测器镜，所述检测器镜朝向所述光检测部反射由所述凹面镜所聚集的所述接收光。
7.根据权利要求6所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光，其中，所述检测器镜和所述光源镜具有彼此不同方向的反射面且一体地形成。
8.根据权利要求5所述的光探测和测距装置，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述扫描光的行进路径上以扩大所述扫描光的出射角度。
9.根据权利要求1所述的光探测和测距装置，包括棱镜，所述棱镜包括倾斜面、设置成朝向所述前方的第一侧面和与所述第一侧面垂直的第二侧面，在所述倾斜面上形成有光入射部，所述光入射部包括与所述第一侧面平行的光源入射面，
其中，所述旋转镜设置在所述光源入射面的外侧，所述倾斜面的内侧面用作所述接收镜。
10.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜设置在所述棱镜的所述倾斜面的外侧，且朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光。
11.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述光入射部由从所述倾斜面朝向外侧突出的突出部形成。
12.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述光入射部由从所述倾斜面向所述棱镜内侧凹陷的凹槽形成。
13.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，其中，在所述棱镜的所述倾斜面上形成反射涂层以使所述倾斜面的反射面朝向所述棱镜的内侧。
14.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，其中，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述扫描光的行进路径上以扩大所述扫描光的出射角度。
15.根据权利要求9所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述第一侧面和所述第二侧面中的至少一者由朝向外侧凸出的曲面形成。
16.一种光探测和测距装置，包括：
光源，所述光源生成光源光；
旋转镜，所述旋转镜以沿两个轴线方向可旋转的方式设置在所述光源光的光路径上以使得所述旋转镜的反射面的方向随时间可变，并且通过随时间改变方向来朝向前方反射所述光源光以作为扫描光；
上部镜，所述上部镜被设置在所述旋转镜的上侧，以朝向侧下方反射所述扫描光且朝向下方反射接收光，所述接收光是被外部反射体反射而返回的扫描光；
光检测部，所述光检测部检测所述接收光；
接收镜，所述接收镜设置在所述旋转镜的前侧，且朝向所述光检测部反射被所述上部镜所反射的接收光，其中在所述接收镜的面向所述旋转镜的位置形成有光透射部，以使入射至所述旋转镜的所述光源光和从所述旋转镜出射的所述扫描光的光路径不被阻挡；以及
计算部，所述计算部基于从生成所述光源光到检测到所述接收光为止的飞行时间计算与所述外部反射体的距离。
17.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，还包括聚光透镜，所述聚光透镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，其中，所述光检测部检测由所述聚光透镜所聚集的接收光。
18.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光。
19.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述旋转镜和所述上部镜之间以扩大所述扫描光的出射角度。
20.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，还包括凹面镜，所述凹面镜聚集被所述接收镜所反射的所述接收光，其中，所述光检测部检测由所述凹面镜所聚集的所述接收光。
21.根据权利要求20所述的光探测和测距装置，还包括检测器镜，所述检测器镜朝向所述光检测部反射由所述凹面镜所聚集的接收光。
22.根据权利要求21所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光，其中，所述检测器镜和所述光源镜具有彼此不同方向的反射面且一体地形成。
23.根据权利要求20所述的光探测和测距装置，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述旋转镜和所述上部镜之间以扩大所述扫描光的出射角度。
24.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，包括棱镜，所述棱镜包括倾斜面、设置成朝向所述上部镜的第一侧面和与所述第一侧面垂直的第二侧面，在所述倾斜面上形成有光入射部，所述光入射部包括与所述第一侧面平行的光源入射面，
其中，所述旋转镜设置在所述光源入射面的外侧，所述倾斜面的内侧面用作所述接收镜。
25.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，还包括光源镜，所述光源镜设置在所述棱镜的所述倾斜面的外侧，且朝向所述旋转镜反射从所述光源射出的所述光源光。
26.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述光入射部由从所述倾斜面朝向外侧突出的突出部形成。
27.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述光入射部由从所述倾斜面向所述棱镜内侧凹陷的凹槽形成。
28.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，其中，在所述棱镜的所述倾斜面上形成反射涂层以使所述倾斜面的反射面朝向所述棱镜的内侧。
29.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，其中，还包括广角透镜，所述广角透镜设置在所述第一侧面和所述上部镜之间以扩大所述扫描光的出射角度。
30.根据权利要求24所述的光探测和测距装置，其中，所述棱镜的所述第一侧面和所述第二侧面中的至少一者由朝向外侧凸出的曲面形成。
31.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜为顶点位于下部的锥形形状的镜。
32.根据权利要求16所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜为反射面向下凸出的凸面镜。
33.根据权利要求31所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜具有对称形状以在所有水平方向上具有相同的反射角特性。
34.根据权利要求32所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜具有对称形状以在所有水平方向上具有相同的反射角特性。
35.根据权利要求31所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜具有非对称形状以在所有水平方向中的至少一部分方向上具有不同的反射角特性。
36.根据权利要求32所述的光探测和测距装置，其中，所述上部镜具有非对称形状以在所有水平方向中的至少一部分方向上具有不同的反射角特性。
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