CN113985421A - 一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，包括用于激发激光的激光出射单元、用于接收反射激光的激光接收单元，还包括用于将出射激光进行偏转形成扫描断面的旋转扫描单元；所述旋转扫描单元包括与激光出射单元激发的出射激光呈45°角的扫描镜，以及用于驱动扫描镜自转的驱动装置。本发明的原理在于利用驱动装置驱动扫描镜旋转，从而将出射激光反射到不同角度形成较大的扫描断面。

Description

一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置
技术领域
本发明涉及一种运用于激光雷达的光学扫描装置。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***。其工作原理是向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理***等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。
机械式扫描方法是远距离激光雷达的主要实现方式，相比于MEMS、OPA等新扫描方法，机械扫描具有光学口径大，视场范围大的特点，尤其适合于大口径光学扫描。机械扫描通常利用光学元器件对光线的反射和折射原理实现，折射原理需要光线多次穿透光学元器件，其光学利用率不高。反射扫描体制常见的反射镜面包括多面镜和椭圆镜（斜45°镜），多面镜扫描视场角小，不利于实现大范围扫描。光学扫描装置的设计，需要考虑***视场角、扫描速度、通光口径、测角要求和回转动平衡等问题，现有的技术很难达到。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，能够满足激光雷达大视场角范围和远距离测量的要求。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，包括用于激发激光的激光出射单元、用于接收反射激光的激光接收单元，还包括用于将出射激光进行偏转形成扫描断面的旋转扫描单元；所述旋转扫描单元包括与激光出射单元激发的出射激光呈45°角的扫描镜，以及用于驱动扫描镜自转的驱动装置。本发明的原理在于利用驱动装置驱动扫描镜旋转，从而将出射激光反射到不同角度形成较大的扫描断面。
作为一种改进，所述扫描镜为椭圆形，所述驱动装置可驱动扫描镜以出射激光所在直线为轴心自转。
作为一种进一步的改进，所述驱动装置包括电机，所述电机输出轴上设置有扫描镜支架；所述扫描镜固定在扫描镜支架上。
作为另一种更进一步的改进，所述扫描镜支架上固定有配重环。由于扫描镜为45°倾斜安装导致中心偏移，为了避免在转动的时候发生径向窜动，采用配重环使得重心重新回到旋转轴线上。
作为一种改进，还包括与电机连接的圆光栅编码器以及光栅读数头。利用编码器和光栅读数头精确的读取扫描镜的旋转角度。
作为一种改进，所述扫描镜支架开有镂空。减轻整个设备的重量。
作为一种改进，所述激光出射单元包括依次连接的脉冲光纤激光光源、激光准直器。脉冲光纤激光光源用于激发激光，激光准直器用于将激光光束校正。
作为一种改进，所述激光接收单元包括依次安装的窄带滤光片、非球面接收透镜、光电转换传感器；所述激光接收单元与出射激光所在直线垂直布置，还包括设置在激光出射单元和旋转扫描单元之间用于将反射激光反射到激光接收单元上的固定反射镜，所述固定反射镜与出射激光所在直线成45°角，且固定反射镜上开有供出射激光通过的孔。
作为一种改进，还包括机架，所述机架包括底板，所述底板上由前至后依次同轴安装有用于固定安装激光出射单元的出射安装机构以及用于固定安装旋转扫描单元的旋转安装机构；所述出射安装机构为筒状，其底部以及底板对应位置为镂空；所述激光接收单元设置在镂空处；所述旋转安装机构为环状，其内环面上设置有轴承。
作为一种改进，所述轴承为并排设置的两个。2个精密轴承能够减少回转抖动。
本发明的有益之处在于：具有上述结构的激光雷达扫描装置，通过可旋转的扫描镜将出射激光从不同角度反射，从而形成较大的扫描视场。并且本扫描装置的激光无需透镜折射，不会降低激光的功率，从而获得更远的探测距离。
附图说明
图1为本发明的总装图。
图2为激光出射单元的结构示意图。
图3为激光出射单元A-A的剖视图。
图4为旋转扫描单元的结构示意图。
图5为激光接收单元的***图。
图6为机架的结构示意图。
图7为本发明的原理图。
图中标记：1激光出射单元、2旋转扫描单元、3激光接收单元、4机架。
11脉冲光纤激光光源、12激光准直器、13固定反射镜、14准直器支架、15准直器压环、16反射镜支架、17孔。
21电机、22圆光栅编码器、23扫描镜、24扫描镜支架、25配重环、26电机安装座、27光栅读数头、28轴承。
31光电转换传感器、32接收安装镜筒、33垫圈、34接收透镜压环、35接收透镜安装架、36非球面接收透镜、37窄带滤光片、38滤光片压环。
41出射安装机构、42旋转安装机构、43底板。
100物体、101出射激光、102反射激光。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1-图7所示，本发明包括用于激发激光的激光出射单元1、用于接收反射激光102的激光接收单元3，还包括用于将出射激光101进行偏转形成扫描断面的旋转扫描单元2。另外还包括机架4，所述机架4包括底板43，所述底板43上由前至后依次同轴安装有用于固定安装激光出射单元1的出射安装机构41以及用于固定安装旋转扫描单元2的旋转安装机构42；所述出射安装机构41为筒状，其底部以及底板43对应位置为镂空；所述激光接收单元3设置在镂空处；所述旋转安装机构42为环状，其内环面上设置有轴承28。轴承28最好为并排设置的两个，其外环面与旋转安装机构42固定，内环面与旋转扫描单元2的旋转部分连接，对旋转扫描单元2旋转部分进行支撑。
具体地，激光出射单元1包括依次连接的脉冲光纤激光光源11、激光准直器12，脉冲光纤激光光源11与激光准直器12固定，再利用准直器压环15将激光准直器12固定在准直器支架14上。
旋转扫描单元2包括与激光出射单元1激发的出射激光101呈45°角的扫描镜23，以及用于驱动扫描镜23自转的驱动装置。扫描镜23为椭圆形，所述驱动装置可驱动扫描镜23以出射激光所在直线为轴心自转。即扫面镜23的旋转中心在椭圆反射面在出射激光101所在直线方向投影（一个圆形）的圆心上。扫描镜23可连续360°旋转，对出射的光线进行90°偏转形成扫描断面。本实施例中，扫描镜23由铝材质整体加工而成；其镜面镀有反射膜。
驱动装置包括电机21，电机21安装在电机安装座26上。所述电机21输出轴上设置有扫描镜支架24；所述扫描镜23固定在镂空的扫描镜支架24上。为了防止径向窜动，扫描镜支架24上固定有配重环25。
为了测量扫描镜23的旋转角度，还设置有与电机21连接的圆光栅编码器22以及光栅读数头27。圆光栅编码器22与转动部分固定同步转动，光栅读数头27与底板43固定安装，用于读取圆光栅刻度，以输出增量脉冲信号。所述圆光栅编码器刻度线≥10000线；所述光栅读数头的最大读出频率≥50MHZ；并且光栅读数头为三向输出，包括ABZ三路脉冲，其中AB向相位差90°，Z向为零点信号。
电机21采用分体式内转子直流电机，利用控制器通过PWM控制实现速度调整，控制器可直接输入角度测量传感器数据，构成速度和位置的闭环控制***。
激光接收单元3包括依次安装的窄带滤光片37、非球面接收透镜36、光电转换传感器31。光电转换传感器31固定在接收安装镜筒32的后端，接收透镜安装架35与接收透镜压环34配合固定非球面接收透镜36。接收透镜安装架35利用螺栓与接收安装镜筒32连接，而接收透镜压环34设置在二者之间。为了起到紧固和密封的作用，可以在接收透镜压环34和接收安装镜筒32之间加装垫圈33。最后再利用滤光片压环38将窄带滤光片37封装在非球面接收透镜36前方。激光接收单元3与出射激光101所在直线垂直布置，还包括设置在激光出射单元1和旋转扫描单元2之间用于将反射激光反射到激光接收单元上的固定反射镜13，所述固定反射镜与出射激光101所在直线成45°角，且固定反射镜上开有供出射激光通过的孔。具体地，激光接收单元还包括准直器支架14上固定的反射镜支架16，固定反射镜13安装在反射镜支架16上。固定反射镜13的反射方向可以根据激光接收单元3的位置进行调整，本实施例中，固定反射镜13的反射方向是向下垂直于底板43的，因此激光接收单元3也设置在底板43的底部，通过底板43和出射安装机构41的镂空接收反射激光102。
工作的时候，电机21驱动扫描镜23旋转。脉冲光纤激光光源11激发的出射激光通过激光准直器12进行校准后，穿过固定反射镜13中心的孔17后被扫描镜23以90°方向反射出去。由于扫描镜23不断的旋转，因此被反射的激光就不断偏转形成一个连续的扫描断面。而被物体100反射回来的反射激光102落到固定反射镜13上，被反射到激光接收单元3用以判断物体的距离和形状。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，包括用于激发激光的激光出射单元、用于接收反射激光的激光接收单元，其特征在于：还包括用于将出射激光进行偏转形成扫描断面的旋转扫描单元；所述旋转扫描单元包括与激光出射单元激发的出射激光呈45°角的扫描镜，以及用于驱动扫描镜自转的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述扫描镜为椭圆形，所述驱动装置可驱动扫描镜以出射激光所在直线为轴心自转。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述驱动装置包括电机，所述电机输出轴上设置有扫描镜支架；所述扫描镜固定在扫描镜支架上。
4.根据权利要求3所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述扫描镜支架上固定有配重环。
5.根据权利要求3所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述光学扫描装置还包括与电机连接的圆光栅编码器以及光栅读数头。
6.根据权利要求3所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述扫描镜支架开有镂空。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述激光出射单元包括依次连接的脉冲光纤激光光源、激光准直器。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述激光接收单元包括依次安装的窄带滤光片、非球面接收透镜、光电转换传感器；所述激光接收单元与出射激光所在直线垂直布置，还包括设置在激光出射单元和旋转扫描单元之间用于将反射激光反射到激光接收单元上的固定反射镜，所述固定反射镜与出射激光所在直线成45°角，且固定反射镜上开有供出射激光通过的孔。
9.根据权利要求8所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述光学扫描装置还包括机架，所述机架包括底板，所述底板上由前至后依次同轴安装有用于固定安装激光出射单元的出射安装机构以及用于固定安装旋转扫描单元的旋转安装机构；所述出射安装机构为筒状，其底部以及底板对应位置为镂空；所述激光接收单元设置在镂空处；所述旋转安装机构为环状，其内环面上设置有轴承。
10.根据权利要求9所述的一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，其特征在于：所述轴承为并排设置的两个。
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