CN212008926U - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光雷达，该激光雷达包括：激光发射单元，用于发射激光光束；振镜，包括在第一方向上旋转的反射镜；以及旋转棱镜，包括顶面、底面以及位于顶面与底面之间的侧面，至少一个侧面与旋转轴的夹角不同于另一个侧面与旋转轴的夹角；旋转棱镜绕其旋转轴在第二方向上旋转，第一方向与第二方向交叉设置；激光发射单元发出的激光光束经反射镜反射后形成中间光束；中间光束照射至旋转棱镜的侧面，并被旋转棱镜的侧面反射后形成探测光束。本实用新型实施例提供的激光雷达，将振镜与旋转棱镜相结合，可利用简单的结构实现较大扫描角度的二维扫描探测。

Description

一种激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达是一种通过激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达***，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。

目前，最常用的激光雷达包括单线激光雷达光学***和多线激光雷达光学***。其中，单线激光雷达光学***包括离轴***与同轴***，目前采用的基本上是对激光二极管(laser diode，LD)或光纤激光器发出的激光进行准直后发出，其接收***放置在傍边或是采用一定的办法使接收***与发射***在同一光轴上，即同轴***。通过电机旋转带动发射、接收光学***对周围环镜进行扫瞄；其缺陷是单光束扫瞄，扫瞄区域太小。多线激光雷达光学***是利用大靶面的长焦发射准直光学***将按照一定空间位置布局的同一种激光发生器出射的激光准直发射出去，通过电机旋转对周围环境进行扫瞄，长焦大靶面接收光学***将被照射物返回来的光线聚焦在相对应的光电感应器上。该光学***能将多个阵列的光束发射出去和接收回来，对周围环镜一定区域进行扫瞄；其缺陷是所需激光发生器太多，接收感应器也相应的多，处理电路比较复杂。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光雷达，以利用较简单的结构实现较大扫描角度的二维扫描探测。

本实用新型实施例提供一种激光雷达，该激光雷达包括：

激光发射单元，用于发射激光光束；

振镜，包括在第一方向上旋转的反射镜；

以及旋转棱镜，包括顶面、底面以及位于所述顶面与所述底面之间的侧面，至少一个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角不同于另一个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角；所述旋转棱镜绕其旋转轴在第二方向上旋转；所述第一方向和所述第二方向相交设置；

所述激光发射单元发出的激光光束经所述反射镜反射后形成中间光束；所述中间光束照射至所述旋转棱镜的侧面，并被所述旋转棱镜的侧面反射后形成探测光束。

在一实施例中，该激光雷达还包括旋转机构，用于驱动所述旋转棱镜旋转；

所述旋转棱镜的旋转轴为空心轴，所述旋转机构设置于所述空心轴内。

在一实施例中，该激光雷达还包括第一接收单元；

所述第一接收单元与所述激光发射单元位于所述旋转棱镜的同一侧；

所述旋转棱镜的同一侧面包括发射区域和接收区域；

所述探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；所述回波光束依次经过所述旋转棱镜的接收区域和所述反射镜反射后，被所述第一接收单元接收。

在一实施例中，该激光雷达还包括第二接收单元；

所述第二接收单元与所述激光发射单元位于所述旋转棱镜的相对侧；

所述探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；所述回波光束直接被所述第二接收单元接收。

在一实施例中，该激光雷达还包括棱镜角度传感器；

所述棱镜角度传感器固定于所述旋转棱镜的顶面和/或底面。

在一实施例中，所述旋转棱镜的各所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角各不相同。

在一实施例中，所述旋转棱镜包括N对相对设置的侧面，N为等于或者大于2的正整数；

一对相对的两个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角均小于或者均大于，另外一对相对的两个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角。

在一实施例中，沿所述顶面指向所述底面的方向，所述发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个所述反射面与所述旋转棱镜的旋转轴之间的夹角不同。

在一实施例中，所述振镜还包括支架、扭力梁、反射镜框、线圈以及磁铁；

所述支架为中空结构；

沿第二方向，所述扭力梁对称固定连接于所述支架与所述反射镜框之间；所述扭力梁扭动以带动所述反射镜框扭动以及复位；

所述磁铁沿第一方向对称固定于所述支架的两端，所述线圈环绕设置于所述反射镜框的边缘，且穿过所述扭力梁中的至少一个所述扭力梁。

在一实施例中，所述振镜还包括转动角度检测组件；所述反射镜包括相对设置的第一镜面和第二镜面，所述第一镜面用于反射探测用激光光束；

所述转动角度检测组件包括检测光源、光源发射板、光源固定座、振镜角度传感器、电路板以及传感器固定支架；

所述检测光源用于向所述第二镜面发射检测光束，所述检测光源通过所述光源固定座与所述光源发射板固定连接，所述光源发射板通过所述传感器固定支架与所述支架固定连接；所述振镜角度传感器的感光面朝向所述第二镜面，所述振镜角度传感器通过所述电路板与所述传感器固定支架固定连接，所述传感器固定支架与所述支架固定连接。

本实用新型实施例提供的激光雷达包括激光发射单元，用于发射激光光束；振镜，包括在第一方向上旋转的反射镜，以实现第一方向的扫描；以及旋转棱镜，包括顶面、底面以及位于顶面与底面之间的侧面，至少一个侧面与旋转棱镜的旋转轴的夹角不同于另一个侧面与旋转棱镜的旋转轴的夹角；旋转棱镜绕其旋转轴在第二方向上旋转，以实现第二方向的扫描；其中，第一方向和第二方向交叉设置；激光发射单元发出的激光光束经反射镜反射后形成中间光束；中间光束照射至旋转棱镜的侧面，并被旋转棱镜的侧面反射后形成探测光束；由此通过将振镜与旋转棱镜相结合，可利用简单的结构实现较大扫描角度的二维扫描探测。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种激光雷达的立体结构示意图；

图2为图1中激光雷达的一种第二方向剖面结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种激光雷达的立体结构示意图；

图4为图3中激光雷达的一种第二方向剖面结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的激光雷达中，一种单轴MEMS振镜的立体结构示意图；

图6为图5中单轴MEMS振镜的背面结构示意图；

图7为图5中单轴MEMS振镜的俯视结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的激光雷达中，一种旋转棱镜的立体结构示意图；

图9为图8中旋转棱镜的俯视结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的激光雷达中，另一种旋转棱镜的立体结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的激光雷达中，又一种旋转棱镜的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供的激光雷达的改进点在于：通过振镜()和旋转棱镜相结合实现激光光束的在第二和第一方向的扫描，进而利用较简单的结构实现较大角度的二维扫描。可选的，振镜可以为单轴MEMS振镜

下面结合图1-图11，对本实用新型实施例提供的激光雷达进行示例性说明。

本实用新型实施例提供的激光雷达10包括：激光发射单元110，用于发射激光光束；振镜120，包括在第一方向上旋转的反射镜121；以及旋转棱镜130，包括顶面131、底面132以及位于顶面131与底面132之间的侧面133，至少一个侧面133与所述旋转棱镜130的旋转轴的夹角不同于另一个侧面133与旋转棱镜130的旋转轴的夹角；旋转棱镜130绕其旋转轴在第二方向上旋转；激光发射单元110发出的激光光束经反射镜121反射后形成中间光束；中间光束照射至旋转棱镜130的侧面133，并被旋转棱镜130的侧面133反射后形成探测光束。

其中，激光发射单元110发射的激光光束投射至MEMS振镜120的反射镜121上，反射镜121能够在第一方向上进行旋转，从而能够将激光光束投射到不同的第一方向角度上，以实现第一方向的扫描。经过MEMS振镜120反射后的激光光束能够入射到旋转棱镜130上，由于旋转棱镜130的不同侧面与其旋转轴的夹角存在不同，从而会进一步地将同一角度投射来的激光光束扩展至多线激光光束，以投射至不同的第一方向角度。示例性的，图1-图4中示出的旋转棱镜130均为六面体棱镜，则其可以将激光光束扩展为六个不同方向上的激光光束，进而使得整个激光雷达10在第一方向视场上的角度增大。通过六面体棱镜进行扩束，能够减少激光发射单元10中的激光发射单元110的数量，有利于实现小型化和低成本。同时，旋转棱镜130围绕其旋转轴转动，可将激光光束扩展至不同的第二方向，实现第二方向的扫描。从而，本实用新型实施例中的激光雷达10，采用振镜120结合旋转棱镜130的结构，即利用较简单的结构可实现较大角度的二维扫描。

在一实施例中，第一方向可为竖直方向，第二方向可为水平方向。

在其他实施方式中，第一方向和第二方向的指向还可根据激光雷达10的探测需求设置，本实用新型实施例对此不作限定。

在一实施例中，该激光雷达10还包括旋转机构(图中未示出)，用于驱动旋转棱镜130旋转；旋转棱镜130的旋转轴为空心轴1300，旋转机构设置于空心轴1300内。

其中，通过将旋转机构设置于旋转棱镜130的空心轴1300内，一方面可减少激光雷达10的整体体积，实现其小型化和集成化设计；另一方面，可缩短旋转棱镜130与其驱动机构之间的距离，便于实现有效驱动。

在一实施例中，参见图1和图10，该激光雷达10还包括第一接收单元140；第一接收单元140与激光发射单元110位于旋转棱镜130的同一侧；旋转棱镜130的同一侧面133包括发射区域301和接收区域302；探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；回波光束依次经过旋转棱镜的接收区域和反射镜121反射后，被第一接收单元140接收。

其中，以图10示出的旋转棱镜130为例，旋转棱镜130的下部作为发射反射部，其上部则作为接收反射部，以将激光光束反射至MEMS振镜120后由第一接收单元140(也称激光接收单元)接收，从而通过同一个旋转棱镜130进行激光光束的收发反射，能够进一步提高激光雷达10的集成度，降低其复杂度。

同时，以图1示出的激光雷达10为例，激光发射单元110和第一接收单元140同侧设置，且呈上下设置。

在其他实施例中，激光发射单元110还可与激光接收单元设置于旋转棱镜130的不同侧，下文中结合图3和图4进行示例性说明。

在一实施例中，参见图3，该激光雷达10还包括第二接收单元150；第二接收单元150与激光发射单元110位于旋转棱镜130的相对侧；探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；回波光束直接被第二接收单元150接收。

其中，激光发射单元110和第二接收单元150分别位于旋转棱镜130的两侧，此时被扫描区域(即目标区域)内的物体反射的激光光束直接被第二接收单元150接收。因此，本实施例中的激光接收单元需要使用面阵接收器，而在图1中的第一接收单元140可以使用线阵接收器。

本实施例中的回波光束不经过旋转棱镜130，从而有利于简化旋转棱镜130的结构，降低其设计和制作难度。

在一实施例中，参见图1或图3，该激光雷达10还包括棱镜角度传感器160；棱镜角度传感器160固定于旋转棱镜130的顶面131和/或底面132。

其中，棱镜角度传感器160随旋转棱镜130转动，用以测量旋转棱镜130的转动角度，从而监测第二方向角度。

在一实施例中，参见图8和图9，旋转棱镜130的各侧面133与旋转棱镜130的旋转轴的夹角各不相同。

如此，可将反射镜反射至旋转棱镜130的侧面的激光光束，在各侧面对应的不同方向上进行扩束，从而有利于进一步增大激光雷达10在第一方向视场上的扫描角度；有利于利用较简单的结构实现大角度第一方向扫描。

在一实施例中，继续参见图8和图9，旋转棱镜130包括N(例如，N＝2)对相对设置的侧面133，N为等于或者大于2的正整数；一对相对的两个侧面133与旋转棱镜130的旋转轴的夹角均小于或者均大于，另外一对相对的两个侧面133与旋转棱镜130的旋转轴的夹角。

其中，图1-图4示出的激光雷达10的结构中，旋转棱镜130均采用的是六面体棱镜结构，图8-图11示出的激光雷达10的结构中，旋转棱镜130均采用的是四面体棱镜结构。在其他实施方式中，旋转棱镜130具体采用多少面体棱镜，可以根据需要的激光线数以及扫描视场来确定，本实用新型实施例对此不作限定。

在本实施例中，通过设置旋转棱镜130的各侧面133与其旋转轴的夹角各不相同，可极大的扩展激光光束的线数。在此基础上，在设置旋转棱镜130的各侧面133与其旋转轴之间的夹角时，可设置相对的两个侧面的倾斜度均小于或者均大于另外相邻的两个侧面的倾斜度，而不是一个递增或者递减的排布，如此，有利于使得旋转棱镜130的重心位于其旋转轴上，从而有利于增加旋转棱镜130的旋转稳定性，从而可确保激光雷达10的***稳定性。

在一实施例中，参见图11，沿顶面131指向底面132的方向，发射区域301包括依次排列的至少两个反射面，示例性的，图11中示出了三个反射面，分别以301a、301b和301c标示；至少两个反射面与旋转棱镜130的旋转轴之间的夹角不同。

如此，旋转棱镜130的同一侧面133，在沿竖直方向上的发射区域301被划分为至少两个区域，且该至少两个区域具有不同的倾斜度，如此能够将对应的激光光束进行不同角度的反射，从而在第一方向视场上形成疏密分布的光线分布，以满足实际场景的探测使用需求。

在一实施例中，参见图5-图7，振镜120还包括支架122、扭力梁123、反射镜框124、线圈125以及磁铁126；支架122为中空结构；沿第二方向，扭力梁123对称固定连接于支架122与反射镜框124之间；扭力梁123扭动以带动反射镜框124扭动以及复位；磁铁126沿第一方向对称固定于支架122的两端，线圈125环绕设置于反射镜框124的边缘，且穿过扭力梁123中的至少一个扭力梁123。

其中，支架122设置为中空结构，反射镜框124通过两侧沿第二方向设置、且对称分布的扭力梁123固定在支架122上，比如可形成螺钉固定的等可拆卸结构，便于维护过程中，结构部件的便捷替换。

其中，反射镜框124可以是一个面结构，反射镜121固定在其表面；或者，反射镜框124也可以是一个中空的框架结构，反射镜121的外周固定在反射镜框124中。从而，反射镜框124的转动可带动与其固定的反射镜121随之转动。

其中，两个磁体(即磁铁126)沿竖直方向对称分布在支架122上。线圈125固定在反射镜框124的边缘上。具体地，线圈125上电后，会在两个磁铁126形成的磁场的磁力作用下沿第一方向上进行旋转，从而使得反射镜121的反射镜面相对于竖直方向的夹角处于周期变化的状态，进而实现对第一方向的扫描。

本实施例中，扭力梁123可为直线梁结构，也可以为异形梁结构，也即由曲线或者折线等组合构成，可根据振镜120以及激光雷达10的实际需求设置，本实用新型实施例对此不限定。

在其他实施方式中，反射镜121也可以通过轴承连接的方式固定在支架122的底座上；或者，MEMS振镜120还可采用本领域技术人员可知的其他结构的振镜，本实用新型实施例对此不限定。

在一实施例中，继续参见图6-图7，振镜120还包括转动角度检测组件128；反射镜121包括相对设置的第一镜面1211和第二镜面1212，第一镜面1211用于反射探测用激光光束；转动角度检测组件128包括检测光源281、光源发射板282、光源固定座283、振镜角度传感器284、电路板285以及传感器固定支架286；检测光源281用于向第二镜面1212发射检测光束，检测光源281通过光源固定座283与光源发射板282固定连接，光源发射板282通过传感器固定支架286与支架122固定连接；振镜角度传感器284的感光面朝向第二镜面1212，振镜角度传感器284通过电路板285与传感器固定支架286固定连接，传感器固定支架286与支架122固定连接。

其中，转动角度检测组件128用于对反射镜121的转动角度进行监测。

其中，光源发射板282用于对检测光源281进行控制；检测光源281发出的检测光束被第二镜面1212反射后，由振镜角度传感器284接收，并将光信号转换为电信号，传输至电路板285，电路板接收电信号，并分析得到反射镜121的转动角度信息。

此时，若反射镜框124为面状结构，可在反射镜121的对面设置另一反射镜，以对检测光源281发射的检测光束进行反射，由于该反射镜与反射镜121同步转动，如此可利用该反射镜的转角信息得到反射镜121的转动角度信息。

在其他实施方式中，激光雷达10还可包括本领域技术人员可知的其他结构或部件，本实用新型实施例对此不赘述也不限定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、任意组合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射单元，用于发射激光光束；

振镜，包括在第一方向上旋转的反射镜；

以及旋转棱镜，包括顶面、底面以及位于所述顶面与所述底面之间的侧面，至少一个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角不同于另一个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角；所述旋转棱镜绕其旋转轴在第二方向上旋转；所述第一方向和所述第二方向相交设置；

所述激光发射单元发出的激光光束经所述反射镜反射后形成中间光束；所述中间光束照射至所述旋转棱镜的侧面，并被所述旋转棱镜的侧面反射后形成探测光束。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括旋转机构，用于驱动所述旋转棱镜旋转；

所述旋转棱镜的旋转轴为空心轴，所述旋转机构设置于所述空心轴内。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括第一接收单元；

所述第一接收单元与所述激光发射单元位于所述旋转棱镜的同一侧；

所述旋转棱镜的同一侧面包括发射区域和接收区域；

所述探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；所述回波光束依次经过所述旋转棱镜的接收区域和所述反射镜反射后，被所述第一接收单元接收。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括第二接收单元；

所述第二接收单元与所述激光发射单元位于所述旋转棱镜的相对侧；

所述探测光束照射至目标区域后，被目标区域内的物体反射，形成回波光束；所述回波光束直接被所述第二接收单元接收。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括棱镜角度传感器；

所述棱镜角度传感器固定于所述旋转棱镜的顶面和/或底面。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述旋转棱镜的各所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角各不相同。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述旋转棱镜包括N对相对设置的侧面，N为等于或者大于2的正整数；

一对相对的两个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角均小于或者均大于，另外一对相对的两个所述侧面与所述旋转棱镜的旋转轴的夹角。

8.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，沿所述顶面指向所述底面的方向，所述发射区域包括依次排列的至少两个反射面，至少两个所述反射面与所述旋转棱镜的旋转轴之间的夹角不同。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述振镜还包括支架、扭力梁、反射镜框、线圈以及磁铁；

所述支架为中空结构；

沿第二方向，所述扭力梁对称固定连接于所述支架与所述反射镜框之间；所述扭力梁扭动以带动所述反射镜框扭动以及复位；

所述磁铁沿第一方向对称固定于所述支架的两端，所述线圈环绕设置于所述反射镜框的边缘，且穿过所述扭力梁中的至少一个所述扭力梁。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述振镜还包括转动角度检测组件；所述反射镜包括相对设置的第一镜面和第二镜面，所述第一镜面用于反射探测用激光光束；

所述转动角度检测组件包括检测光源、光源发射板、光源固定座、振镜角度传感器、电路板以及传感器固定支架；

所述检测光源用于向所述第二镜面发射检测光束，所述检测光源通过所述光源固定座与所述光源发射板固定连接，所述光源发射板通过所述传感器固定支架与所述支架固定连接；所述振镜角度传感器的感光面朝向所述第二镜面，所述振镜角度传感器通过所述电路板与所述传感器固定支架固定连接，所述传感器固定支架与所述支架固定连接。

Images