CN210119568U - 激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光雷达技术领域，具体提供一种激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆。本实用新型旨在解决现有的二维MEMS振镜扫描角度小的问题，本实用新型的激光雷达扫描装置包括激光发射器、一维振镜和旋转反射机构，激光发射器发射激光束至一维振镜，一维振镜能够反射激光束，从而改变激光束的光路方向，完成在第一方向上的扫描，旋转反射机构能够反射被一维振镜改变光路方向后的激光束，从而再次改变激光束的光路方向，完成在第二方向上的扫描，进而完成平面扫描。由于一维振镜扫描范围比二维振镜大，因此，本实用新型通过一维振镜与旋转反射机构的组合运用，解决了现有的使用二维MEMS振镜的激光雷达扫描装置扫描角度小的问题。

Description

激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆

技术领域

本实用新型属于激光雷达技术领域，具体提供一种激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆。

背景技术

常规的激光雷达多为多线式扫描激光雷达，但是其分辨率较低，因此越来越多的厂商开始制造高精度激光雷达。二维Micro Electromechanical System扫描振镜(以下简称二维MEMS扫描振镜)，因其频率高、体积小、控制简单、价格低等优势，逐渐替代多线式扫描激光雷达成为主流。

但是，二维MEMS振镜的扫描角度小的问题依然限制了其在激光雷达上的发展。目前市面上的MEMS振镜扫描***常采用多个MEMS扫描，然后进行视场的拼接，达到增加扫描角度的作用，但是其增加了成本，还引入了视场拼接带来的误差。

相应的，本领域需要一种新的激光雷达扫描装置来解决现有的MEMS二维振镜扫描角度小的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的MEMS二维振镜扫描角度小的问题，本实用新型提供了一种激光雷达扫描装置，包括激光发射器，所述激光发射器用于发射激光束；

一维振镜，所述一维振镜能够反射所述激光束，从而改变所述激光束的光路方向，完成在第一方向上的扫描；

旋转反射机构，所述旋转反射机构能够反射被所述一维振镜改变光路方向后的激光束，从而再次改变所述激光束的光路方向，完成在第二方向上的扫描。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述一维振镜为MEMS一维振镜。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述旋转反射机构包括电机、多棱镜和检测部件，所述电机与所述多棱镜连接，并能够驱动所述多棱镜沿其轴线旋转，所述检测部件设置在所述多棱镜上，并可实现回转角度的实时反馈。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述第一方向为竖直方向；并且/或者所述第二方向为水平方向。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述激光发射器与所述一维振镜之间的位置关系设置成能够使所述激光发射器发射的激光束的横截面积小于所述一维振镜的反射镜面的面积。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述一维振镜与所述旋转反射机构之间的位置关系设置成能够使所述一维振镜反射的激光束在所述第一方向上的扫描长度小于所述旋转反射机构的反射镜面在所述第一方向上的长度。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述激光发射器为单线激光二极管。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述激光雷达扫描装置还包括准直部，所述准直部设置在所述激光发射器与所述一维振镜之间，用于准直所述激光发射器发射的激光束。

在上述激光雷达扫描装置的优选技术方案中，所述准直部为双凸透镜。

本实用新型还提供了一种车辆，所述车辆包括上述优选技术方案中任一项所述的激光雷达扫描装置。

本领域人员能够理解的是，在本实用新型的技术方案中激光雷达扫描装置包括激光发射器、一维振镜和旋转反射机构，激光发射器发射激光束至一维振镜，一维振镜能够反射激光束，从而改变激光束的光路方向，完成在第一方向上的扫描，旋转反射机构能够反射被一维振镜改变光路方向后的激光束，从而再次改变激光束的光路方向，完成在第二方向上的扫描，进而完成平面扫描。

由于一维振镜扫描范围比二维振镜大许多，因此，通过上述设置方式，使得本实用新型的激光雷达扫描装置能够通过一维振镜与旋转反射机构结合的形式反射激光束，从而完成一个平面上的扫描，替代了多个二维振镜扫描后进行视场拼接的方式，解决了现有的使用二维MEMS振镜的激光雷达扫描装置扫描角度小的问题。

附图说明

下面参照附图来描述本实用新型的激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆，附图中：

图1为本实用新型的激光雷达扫描装置的结构示意图(一)；

图2为本实用新型的激光雷达扫描装置的结构示意图(二)；

图3为本实用新型的激光雷达扫描装置的俯视图。

附图标记列表

11、一维振镜；12、旋转反射机构；121、多棱镜；122、电机；13、激光发射器；131、激光束；14、准直部。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。尽管说明书中是以准直部为双凸透镜为例来进行描述的，但是，本实用新型显然可以采用其他各种形式的部件或***，例如平凸透镜，或者具有准直功能的组合光学透镜***，只要该准直部具有准直激光束，使其发射出的光束被矫正为为平行光即可。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图3，对本实用新型的激光雷达扫描装置进行描述。其中，图1为本实用新型的激光雷达扫描装置的结构示意图(一)，图2为本实用新型的激光雷达扫描装置的结构示意图(二)，图3为本实用新型的激光雷达扫描装置的俯视图。

如图1至图3所示，为解决现有的二维MEMS振镜扫描角度小问题，本实用新型的激光雷达扫描装置包括激光发射器13、一维振镜11和旋转反射机构12，其中，激光发射器13可以是单线激光二极管，还可以是激光平行光管、气体激光器等，一维振镜11为MEMS一维振镜，还可以是Galvo一维振镜等。

激光发射器13发射出激光束131至MEMS一维振镜11的反射镜面上，通过MEMS一维振镜11的振动，使激光束131改变光路方向，完成在第一方向上的扫描，第一方向优选为竖直方向，并且激光束131的横截面积小于一维振镜11的反射镜面的面积。

旋转反射机构12包括多棱镜121、电机122和检测部件(图中未示出)，多棱镜121优选为四棱镜，还可以是三棱镜，五棱镜，六棱镜等，电机122与多棱镜121连接，并驱动多棱镜121沿其轴线旋转，检测部件设置在多棱镜121上，并可实现其回转角度的实时反馈，检测部件优选为编码器，还可以是霍尔传感器，或者其它类型传感器，例如光学传感器等。

多棱镜121的反射镜面能够反射被MEMS一维振镜11改变成沿竖直光路方向扫描的光束131，再次改变激光束131的光路方向，完成在第二方向上的扫描，第二方向优选为水平方向，MEMS一维振镜11反射的激光束131在竖直方向上扫描的长度小于多棱镜121的反射镜面在竖直方向上的长度。

上述设置方式的优点在于：本实用新型的激光雷达扫描装置通过一维振镜11与旋转反射机构12结合的形式反射激光束131，完成一个平面上的扫描，替代传统的多个二维振镜扫描后进行视场拼接的方式，解决了现有的使用二维MEMS振镜的激光雷达扫描角度小的问题，独立分开一维振镜11与旋转反射机构12还避免了由于不同振动或旋转方向而相互干扰的情况；本实用新型的激光雷达扫描装置通过单线激光二极管和MEMS一维振镜11相结合的方式，替代了传统的多线激光管阵列的方式，实现了在竖直方向上的连续扫描。传统的激光雷达发射端多为数十个激光二极管组成的阵列，阵列的排布密度和角度决定了***竖直方向的分辨率，但排布密度受到空间与成本的限制，不会很高，因此本实用新型还有效地提高了激光雷达扫描装置在竖直方向上的分辨率；在水平方向上，本实用新型通过多棱镜121旋转来重复反射激光束131，实现水平方向上的扫描，扫描角度可以根据多棱镜121的棱数确定，易于设计人员设计扫描角度。此外，多棱镜121的中心稳定，旋转时所受的阻力较低，并且，多棱镜121的每个棱面均可作为反射镜面，所以其每旋转一圈，扫描次数等于多棱镜121的棱数，因此，与传统机械式激光雷达扫描方式相比，其扫描频率大大提高；多棱镜121生产工艺稳定，价格也很低，因此能够降低本实用新型的生产成本，提升产品市场竞争力。进一步地，传统的二维MEMS扫描振镜难以引入闭环控制，本实用新型通过引入一维振镜11，还使得激光雷达扫描装置更容易引入闭环控制。使激光束131的横截面积小于一维振镜11的反射镜面的面积，以及使MEMS一维振镜11反射的激光束131在竖直方向上的长度小于旋转反射机构12的反射镜面在竖直方向上的长度，使得光束不会照射到两个反射镜面之外，避免了光能的浪费，减少能量损失。

下面进一步参照图2，对本实用新型的激光雷达扫描装置进行详细描述。

如图2所示，在一种可能的实施方式中，在激光发射器13和一维振镜11之间还设置有准直部14，准直部14优选为双凸透镜，当然准直部也可以为平凸透镜，或者为其他具有准直功能的组合光学透镜***。

上述设置方式的优点在于：准直部14可以将激光束131准直为更加接***行的光束，其射出后理论位置与实际位置更接近，从而使激光雷达扫描装置的扫描更精准。

特别地，一维振镜11可以实现偏转角度的实时控制和反馈，用来精确计算激光束131在不同偏转角度情况下的扫描点。

本实用新型的激光雷达扫描装置整体工作流程为：激光发射器13产生激光束131，通过双凸透镜准直成平行光线；经过MEMS一维振镜11后完成竖直方向上的扫描，光学扫描的角度根据MEMS一维振镜11的振动角度决定，可根据设计需求满足0至90度的夹角；激光束131经反射后到达旋转的多棱镜121上，完成水平方向的扫描，光学扫描角度取决于多棱镜121的棱数，可根据设计需求而确定。

综上所述，本实用新型的激光雷达扫描装置通过一维振镜11与旋转反射机构12的组合使用，使扫描角度更广，也使其更容易通过闭环控制，独立设置还避免了由于不同振动或回转方向而相互干扰的情况；使用单线激光二极管和一维振镜11结合，提高了竖直方向分辨率；多棱镜121的使用，使设计人员能够容易地算出扫描角度；多棱镜121旋转扫描频率相较于传统机械扫描要高出很多；多棱镜121的使用使激光雷达扫描装置的成本更低；通过控制激光束131横截面积与其第一次反射后沿竖直方向上的长度，避免了光能的浪费；通过增加准直部14，使光线更接近于平行，其射出后理论位置与实际位置更接近，从而使扫描精度更高。

需要说明的是，上述实施方式仅仅用来阐述本实用新型的原理，并非旨在与限制本实用新型的保护范围，在不偏离本实用新型原理的条件下，本领域技术人员能够对上述结构进行调整，以便本实用新型能够应用于更加具体的应用场景。

例如，在一种可替换的实施方式中，旋转反射机构12还可以是电机122带动可回转的平面镜旋转，替代多棱镜121旋转，同样能够达到相同的效果，并且其扫描角度可以达到180度以内的任何角度，只要能将激光束131进行第二方向上的扫描反射即可，这些都不偏离本实用新型的原理，因此都将落入本实用新型的保护范围之内。

例如，在另一种可替换的实施方式中，第一方向还可以是水平方向，相应地第二方向可以为竖直方向，只要第一方向与第二方向不重合即可，这些都不偏离本实用新型的原理，因此都将落入本实用新型的保护范围之内。

例如，在另一种可替换的实施方式中，一维振镜11还可以替换成可回转的反射镜面与带有曲柄摇杆的电机相结合的形式替代，只要能够摆动反射激光束131即可，任何模仿一维振镜11的结构或者其变形的形式，都不偏离本实用新型的原理，因此都将落入本实用新型的保护范围之内。

此外，本实用新型还提供了一种车辆，该车辆具有上述任一实施方式中所述的激光雷达扫描装置。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达扫描装置，其特征在于，所述激光雷达扫描装置包括：

激光发射器，所述激光发射器用于发射激光束；

一维振镜，所述一维振镜能够反射所述激光束，从而改变所述激光束的光路方向，完成在第一方向上的扫描；

旋转反射机构，所述旋转反射机构能够反射被所述一维振镜改变光路方向后的激光束，从而再次改变所述激光束的光路方向，完成在第二方向上的扫描；

其中，所述旋转反射机构包括电机、多棱镜和检测部件，所述电机与所述多棱镜连接，并能够驱动所述多棱镜沿其轴线旋转，所述检测部件设置在所述多棱镜上，并可实现回转角度的实时反馈。

2.根据权利要求1所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述一维振镜为MEMS一维振镜。

3.根据权利要求1所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述第一方向为竖直方向；并且/或者所述第二方向为水平方向。

4.根据权利要求1所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述激光发射器与所述一维振镜之间的位置关系设置成能够使所述激光发射器发射的激光束的横截面积小于所述一维振镜的反射镜面的面积。

5.根据权利要求1所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述一维振镜与所述旋转反射机构之间的位置关系设置成能够使所述一维振镜反射的激光束在所述第一方向上的长度小于所述旋转反射机构的反射镜面在所述第一方向上的长度。

6.根据权利要求1所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述激光发射器为单线激光二极管。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述激光雷达扫描装置还包括准直部，所述准直部设置在所述激光发射器与所述一维振镜之间，用于准直所述激光发射器发射的激光束。

8.根据权利要求7所述的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述准直部为双凸透镜。

9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括上述权利要求1至8中任一项所述的激光雷达扫描装置。

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