CN107390200A - 一种机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法 - Google Patents

一种机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法 Download PDF

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Abstract

一种机械扫描式激光雷达光机结构，包括激光发射光学***、反射镜组、激光接收光学***、旋转工装，反射镜组装于旋转工装，激光发射光学***和激光接收光学***位于反射镜组的两侧，发射光学***和激光接收光学***的光轴平行。该结构探测方法包括：激光发射光学***发出激光束；激光束经反射镜组改变激光的传播方向以透射到空间中对目标进行探测；发射镜组还将由目标反射回来的接收激光束改变激光传播的方向以投射到激光接收光学***；反射镜组随旋转工装360度旋转，发射激光束实现360度空间扫描。该结构将机械扫描结构与激光光学***有效结合在一起，为激光雷达***实现小型化设计提供了良好的基础。

Description

一种机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体讲是指一种机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法。
背景技术
激光雷达是利用激光束对周围物体进行感知的设备，以点云数据的形式反映周围物体的位置及形貌，具有测量分辨率高、速度快，体积小、重量轻等特点。机械扫描式激光雷达是被广泛应用的一种激光雷达，其利用机械扫描控制激光在空间中的运动实现激光扫描功能。光学***控制激光在***中的传播方向及汇聚发散，是激光雷达区别于其他工作机制的雷达的关键部分，光学***的结构形式决定了整个激光雷达***的结构形式。机械扫描式激光雷达的难点在于如何将机械扫描结构与激光光学***有效的结合在一起，并实现激光发射光学***、激光接收光学***及机械扫描结构件的紧凑型布局。
为此如何将机械扫描结构与激光光学***有效的结合在一起，并实现激光发射光学***、激光接收光学***及机械扫描结构件的紧凑型布局，一直是行业内技术人员颇为关注的焦点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法，该机械扫描式激光雷达光机结构和探测方法将机械扫描结构与激光光学***有效的结合在一起，解决了机械扫描式激光发射光学***、激光接收光学***及机械扫描结构件的紧凑型布局，减小了激光雷达中光机结构的体积，为激光雷达***实现小型化设计提供了良好的基础。
为解决上述技术问题，本发明的一种机械扫描式激光雷达光机结构的技术方案为：包括激光发射光学***、反射镜组、激光接收光学***、旋转工装，所述的反射镜组装于旋转工装上且随旋转工装实现360度旋转，所述的激光发射光学***和激光接收光学***分别位于反射镜组的两侧，且所述的发射光学***和激光接收光学***的光轴平行。
在一些实施例中，所述的反射镜组用于将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，同时所述的反射镜组还将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。
在一些实施例中，所述的反射镜组的旋转轴与激光发射光学***和/或激光接收光学***的光轴同轴。
在一些实施例中，所述的激光发射光学***包括激光发射器和发射准直光学镜组，所述的激光发射器出射的激光束在发射准直光学镜组的焦点上，所述的发射准直光学镜组对激光发射器出射的激光束进行整形。
在一些实施例中，所述的激光发射器优选半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、LED中的一种。
在一些实施例中，所述的激光接收光学***包括接收准直光学镜组和激光接收器，所述的接收准直光学镜组对接收的激光进行整形并投射到激光接收器上，所述的激光接收器接收的激光束在接收准直光学镜组的焦点上。
在一些实施例中，所述的激光接收器优选光电探测器、硅光电池、成像探测器中的一种。
在一些实施例中，所述的反射镜组包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述的第一平面反射镜和第二平面反射镜之间具有夹角，且所述的夹角为89～91°，所述的第一平面反射镜将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，所述的第二平面反射镜将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。
在一些实施例中，所述的第一平面反射镜与第二平面反射镜之间的夹角为90°。
在一些实施例中，所述的旋转工装由电机驱动旋转，所述的旋转工装上设置台阶面以供电机安装。
本发明的一种机械扫描式激光雷达光机结构，将机械扫描结构与激光光学***有效的结合在一起，解决了机械扫描式激光发射光学***、激光接收光学***及机械扫描结构件的紧凑型布局，减小了激光雷达中光机结构的体积，为激光雷达***实现小型化设计提供了良好的基础。
本发明还公开了一种机械扫描式激光雷达光机结构的探测方法，包括：
激光发射光学***发出激光束；激光束经反射镜组改变激光的传播方向以透射到空间中对目标进行探测；发射镜组还将由目标反射回来的接收激光束改变激光传播的方向以投射到激光接收光学***。
在一些实施例中，机械扫描式激光雷达光机结构的探测方法还包括：对发出的激光束进行整形以使激光束的发散角有效压缩；对接收激光束进行整形以使接收激光束进行汇聚。
附图说明
本发明提供了附图以便于所公开内容的进一步理解，附图构成本申请的一部分，但仅仅是用于图示出体现所涉及发明概念的一些方面的非限制性示例，而不是用于作出任何限制。
图1是本发明公开的一些实施例的机械扫描式激光雷达光机结构的示意图。
图2、图3、图4、图5、图6是本发明公开的一些实施例的机械扫描式激光雷达光机结构中第一平面反射镜和第二平面反射镜相交的状态示意图。
本发明图中所示：
1激光发射器，2发射准直光学镜组，3接收准直光学镜组，4激光接收器，5第一平面反射镜，6第二平面反射镜，7旋转工装。
具体实施方式
下文将使用本领域技术人员通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开内容更详尽和完整，并且将向本领域的技术人员完整传达其包括的范围。也应注意这些实施例不相互排斥。来自一个实施例的组件、步骤或元素可假设成在另一实施例中可存在或使用。在不脱离本公开的实施例的范围的情况下，可以用多种多样的备选和/或等同实现方式替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文论述的实施例的任何修改或变型。
下文中的“在一些实施例中”，“在一个实施例中”等短语可以或可以不指相同的实施例。尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元素，但这些元素不应由这些术语限制，这些术语仅用于将元件彼此区分开。例如，第一元素可以称作第二元素，并且相似地，第二元素可以称作第一元素，而不偏离本申请的范围。
图1是根据本公开一些实施例的机械扫描式激光雷达光机结构的示意图。该机械扫描式激光雷达光机结构包括激光发射光学***、反射镜组、激光接收光学***、旋转工装7，所述的反射镜组装于旋转工装7上且随旋转工装7实现360度旋转，所述的激光发射光学***和激光接收光学***分别位于反射镜组的两侧，且所述的发射光学***和激光接收光学***的光轴平行。发射光学***和激光接收光学***的光轴平行可理解为两种存在状态：第一种，即两光轴重合，可参考图1；第二种，两光轴平行但不重合。
本公开的一种机械扫描式激光雷达光机结构，将机械扫描结构与激光光学***有效的结合在一起，解决了机械扫描式激光发射光学***、激光接收光学***及机械扫描结构件的紧凑型布局，减小了激光雷达中光机结构的体积，为激光雷达***实现小型化设计提供了良好的基础。
在一些实施例中，所述的反射镜组用于将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，同时所述的反射镜组还将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。
为实现反射镜组的目标探测及再投射目的，在一些实施例中，所述的反射镜组包括第一平面反射镜5和第二平面反射镜6。所述的第一平面反射镜5和第二平面反射镜6之间具有夹角，且所述的夹角可在89～91°之间进行选择。所述的第一平面反射镜5将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，所述的第二平面反射镜6将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。其中，作为夹角的优选值，在一些具体实施例中，所述的第一平面反射镜5与第二平面反射镜6之间的夹角为90°，参考图1。在一些具体实施例中，第一平面反射镜5和第二平面反射镜6可实际相交(参考图4、图5、图6)，也可虚拟相交(即通过虚拟的延伸镜面而实现相交，参考图1、2、3)。选择虚拟相交和实际相交对于本领域技术人员而言可根据具体运用场景进行选择，并不局限于单一的相交形式。
在一些实施例中，激光发射光学***的激光经过第一平面反射镜5水平反射到目标以进行探测，同时第二平面反射镜6又将由目标水平反射回来的激光投射到激光接收光学***，而第一平面反射镜5和第二平面反射镜6之间选择形成90°的相交夹角。
同时在一些实施例中，所述的反射镜组的旋转轴与激光发射光学***和/或激光接收光学***的光轴同轴。为实现反射镜组能装于旋转工装7上且随旋转工装7作360度旋转，在一些实施例中，所述的旋转工装7由电机驱动旋转，且所述的旋转工装7上设置台阶面7.1以供电机安装。在一些实施例中，反射镜组随旋转工装7旋转，而激光发射光学***和激光接收光学***相对反射镜组不动，此时反射镜组的旋转轴与激光发射光学***和激光接收光学***的光轴同轴，参考图1。另外在一些实施例中，反射镜组和激光发射光学***旋转，而激光接收光学***相对反射镜组和激光发射光学***不动，此时反射镜组和激光发射光学***的旋转轴与激光接收光学***的光轴同轴。还有在一些实施例中，反射镜组和激光接收光学***旋转，而激光发射光学***相对反射镜组和激光接收光学***不动，此时反射镜组和激光接收光学***的旋转轴与激光发射光学***的光轴同轴。
在一些实施例中，所述的激光发射光学***包括激光发射器1和发射准直光学镜组2，所述的激光发射器1出射的激光束在发射准直光学镜组2的焦点上，所述的发射准直光学镜组2对激光发射器1出射的激光束进行整形。在一些实施例中，发射准直光学镜组2可以选择准直透镜，参考图1。当本公开的激光雷达光学***实际使用于各种场合时，激光发射器1和发射准直光学镜组2可共装于同一载体上，也可安装在不同的载体上，最终满足激光发射器1出射的激光束在发射准直光学镜组2的焦点上。对于所述的激光发射器1可以选择半导体激光器(优选半导体激光二极管)，当然也可视需求选择光纤激光器或固体激光器或LED。发射准直光学镜组2对激光发射器1出射的激光束进行整形，使得激光束的发散角有效的压缩。
在一些实施例中，所述的激光接收光学***包括接收准直光学镜组3和激光接收器4，所述的接收准直光学镜组3对接收的激光进行整形并投射到激光接收器4上，所述的激光接收器4接收的激光束在接收准直光学镜组3的焦点上。在一些实施例中，接收准直光学镜组3可以选择接收透镜，参考图1。当本公开的激光雷达光学***实际使用于各种场合时，接收准直光学镜组3和激光接收器4可共装于一个载体上，当然也可以根据场景和需求而装于不同载体上，最终满足激光接收器4接收的激光束在接收准直光学镜组3的焦点上。对于所述的激光接收器4而言，可选择光电探测器(优选光电二极管)、硅光电池、成像探测器中的一种。在一些实施例中，优选光电探测器。
本发明还公开了一种机械扫描式激光雷达光机结构探测方法，包括：激光发射光学***发出激光束；激光束经反射镜组改变激光的传播方向以透射到空间中对目标进行探测；发射镜组还将由目标反射回来的接收激光束改变激光传播的方向以投射到激光接收光学***；反射镜组装于旋转工装(7)上，随着旋转工装(7)360度旋转，发射激光束实现360度的空间扫描。
在一些实施例中，探测方法还包括：对发出的激光束进行整形以使激光束的发散角有效压缩；对接收激光束进行整形以使接收激光束进行汇聚。
在一些具体实施例中，参考图1：准直透镜对半导体激光器(优选半导体激光二极管)出射的激光束进行整形，使得激光束的发散角有效的压缩；准直后的激光束经过第一平面反射镜5改变激光的传播方向，透射到空间中对目标进行测量；第二平面反射镜6将由目标反射回来的接收激光改变激光传播的方向，投射到接收透镜，接收透镜对接收激光进行整形，使得激光束进行汇聚变成激光点光斑投射到光电探测器(优选光电二极管)光敏面上。第一平面反射镜5和第二平面反射镜6固定在旋转工装7上，随着旋转工装7进行360°旋转，发射激光束实现360°的一维空间扫描。
本公开的机械扫描式激光雷达光机结构包括激光发射器、发射准直光学镜组、接收准直光学镜组、激光接收器、反射镜组及旋转工装，其中发射准直光学镜组和接收准直光学镜组分别位于反射镜组的两侧，反射镜组固定在旋转工装上实现360°旋转，有效地提高了机械扫描光机结构的紧凑性。

Claims (12)

1.一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：包括激光发射光学***、反射镜组、激光接收光学***、旋转工装(7)，所述的反射镜组装于旋转工装(7)上且随旋转工装(7)实现360度旋转，所述的激光发射光学***和激光接收光学***分别位于反射镜组的两侧，且所述的发射光学***和激光接收光学***的光轴平行。
2.根据权利要求1所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的反射镜组用于将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，同时所述的反射镜组还将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。
3.根据权利要求2所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的反射镜组的旋转轴与激光发射光学***和/或激光接收光学***的光轴同轴。
4.根据权利要求1或3所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的激光发射光学***包括激光发射器(1)和发射准直光学镜组(2)，所述的激光发射器(1)出射的激光束在发射准直光学镜组(2)的焦点上，所述的发射准直光学镜组(2)对激光发射器(1)出射的激光束进行整形。
5.根据权利要求4所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的激光发射器(1)为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、LED中的一种。
6.根据权利要求1或3所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的激光接收光学***包括接收准直光学镜组(3)和激光接收器(4)，所述的接收准直光学镜组(3)对接收的激光进行整形并投射到激光接收器(4)上，所述的激光接收器(4)接收的激光束在接收准直光学镜组(3)的焦点上。
7.根据权利要求6所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的激光接收器(4)为光电探测器、硅光电池、成像探测器中的一种。
8.根据权利要求1或3所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的反射镜组包括第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)，所述的第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)之间具有夹角，且所述的夹角为89～91°，所述的第一平面反射镜(5)将激光发射光学***的激光反射到目标以探测，所述的第二平面反射镜(6)将由目标反射回来的激光投射到激光接收光学***。
9.根据权利要求8所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的第一平面反射镜(5)与第二平面反射镜(6)之间的夹角为90°。
10.根据权利要求2所述的一种机械扫描式激光雷达光机结构，其特征在于：所述的旋转工装(7)由电机驱动旋转，所述的旋转工装(7)上设置台阶面(7.1)以供电机安装。
11.一种机械扫描式激光雷达光机结构探测方法，其特征在于，包括：
激光发射光学***发出激光束；激光束经反射镜组改变激光的传播方向以透射到空间中对目标进行探测；发射镜组还将由目标反射回来的接收激光束改变激光传播的方向以投射到激光接收光学***；反射镜组装于旋转工装(7)上，随着旋转工装(7)360度旋转，发射激光束实现360度的空间扫描。
12.根据权利要求11的探测方法，还包括：对发出的激光束进行整形以使激光束的发散角有效压缩；对接收激光束进行整形以使接收激光束进行汇聚。
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