CN107490792A - 光学扫描传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学扫描传感器，包括光源、投光单元、受光单元、光接收器、偏转单元、曲面透光罩、旋转单元、角度编码器，其中偏转单元包括反射镜及反射镜支架，旋转单元包括一中空部件和驱动元件，所述投光单元包括基本投光单元，且基本投光单元和所述受光单元为收发同轴光学系统并位于反射镜同一侧，经反射镜偏转的目标区域反射的光经中空部件的通孔进入光接收器。反射镜通过反射镜支架固定在旋转单元上方，在驱动元件的带动下360°旋转。

Description

光学扫描传感器

技术领域

本发明涉及一种光学扫描传感器。

背景技术

测距型光学扫描传感器(一般称之为测距型激光雷达，Lidar)需要以固定的扫描频率(例如25Hz)完成对使用环境的一个或多个特定空间截面(平面截面或锥面截面)上的距离测量，基本的测量方法是“飞行时间”测量法，即在特定空间角度上发射激光光波，同时探测被在此空间角度上的目标表面反射的激光光波，计算激光光波从发射到被反射回来的飞行时间，通过时间-距离转换(Time-Distance-Conversion，TDC)得到距离值。所获取的原始测量数据为空间极坐标表示形式，以扫描传感器光学结构中的某个固定点(一般位于旋转扫描结构的旋转轴上)为坐标原点，空间角度有固定的分辨率(如0.5°)。在多数应用环境中，除对测量得到的距离值有着明确的精度要求外，对每次测量所处的二维空间角度也有着明确的精度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种紧凑型收发同轴光学扫描传感器，解决了传统的光学扫描测距装置在结构设计方面存在的若干问题。相较于传统的激光雷达，本发明在结构强度、小型化设计、全角度扫描能力和对从目标区域反射光的有效利用方面有着确切的优点。

本发明提供了一种光学扫描传感器。所述光学扫描传感器包括光源，发出发射光；投光单元，将发射光引向反射镜；偏转单元，包括反射镜和反射镜支架，所述反射镜将发射光偏转并引向目标区域以及将目标区域反射的光偏转并引向受光单元；受光单元，将目标区域反射的光引向光接收器；光接收器，接收受光单元引入的目标区域反射的光；旋转单元，包括旋转部件和驱动元件；透光罩，用于透过发射光和目标区域反射的光；角度编码器，用于记录反射镜角度信息；其中，所述透光罩为曲面透光罩，所述旋转部件为一中空部件，所述中空部件中间为一通孔，所述中空部件在驱动元件带动下绕其中心轴旋转，所述反射镜与旋转单元通过发射镜支架连接，所述投光单元包括基本投光单元，且基本投光单元和所述受光单元为收发同轴光学系统并位于所述反射镜同一侧，经所述反射镜偏转的目标区域反射的光经所述中空部件的通孔进入光接收器。所述基本投光单元和所述受光单元为收发同轴系统是指基本投光单元与受光单元光轴重合，相对于传统的收发离轴系统，采用收发同轴系统可以减小光学测量盲区。所述偏转单元随所述中空部件在所述驱动元件的带动下绕所述中空部件的中心轴旋转。另外，上述中空部件可以是上下两部分，下部不旋转，上部可旋转并与反射镜支架相连。

本发明所述曲面透光罩为包含发射光及从目标区域反射的光的透过窗口的透明壳体。所述曲面透光罩的内外表面是中心轴对称的旋转曲面，其旋转轴即为同轴收发系统的光轴，也是旋转单元的旋转轴。其母线是经光学优化的曲线，优选地为圆弧线或抛物线。曲面透光罩对从目标区域反射的光起到汇聚作用，与传统的平面、锥面透光罩相比，能使更多的反射光被光接收器接收，提高了测量能力。其原因概述如下：

1)对远距离目标的测量能力由受光组件接收到的目标反射光的能量决定。由于能够进入受光组件的远距离目标的反射光近似于平行光，且空间能量密度基本一致，因此，对于确定受光截面形状(例如圆形)的受光组件，反射光能量正比于测距系统透光罩的外部有效通光面积，在此面积范围内的远距离目标反射光能够通过透光罩后最终进入受光组件；

2)对于厚度一致的平面透光罩，有效通光面积等于受光组件的有效受光面积；

3)对于厚度一致的锥面透光罩，其垂直剖面为平行四边形，有效通光口径等于受光组件的有效光学口径；其水平剖面为圆形，对远距离目标的近似平行反射光有汇聚作用，有效通光口径大于受光组件的有效光学口径；因此，其有效通光面积大于受光组件的有效通光面积；

4)对于厚度一致的球面透光罩，其垂直剖面是圆的一部分，优选地为半圆形，水平剖面为圆形，对远距离目标的近似平行反射光都有汇聚作用，因此两个方向上的有效通光口径都大于受光组件的有效光学口径，且其上部的半径更小，曲率更大，汇聚作用更为明显，相对而言，锥面透光罩的上部半径更大，曲率更小，汇聚作用相对较弱；球面透光罩的有效通光面积大于锥面透光罩的有效通光面积；因此，球面透光罩使受光组件能够接收到更多的反射光能量，相对于锥面透光罩而言，提高了测距系统的量程。

5)进一步地，透光罩的外部曲面和内部曲面可以设计成不同的曲面，使其通光窗口处的截面更接近于凸透镜，对远距离目标的近似平行反射光的汇聚效果更强，进一步提高有效受光面积，增大测距量程。

进一步地，所述中空部件的中心轴和所述基本投光单元以及所述受光单元的光轴重合。

进一步地，所述基本投光单元与所述受光单元位于所述中空部件的通孔内或所述中空部件通孔的上方。基本投光单元与受光单元全部或其部分位于通孔内都属于本发明所述的“基本投光单元与受光单元位于中空部件的通孔内”的范畴。

进一步地，所述基本投光单元采用基本发射透镜或基本发射透镜组。所述光源发出的发射光经基本发射透镜或基本发射透镜组引向反射镜，再经所述反射镜偏转并引向目标区域。

进一步地，所述受光单元采用接收透镜或接收透镜组。所述接收透镜或接收透镜组将经所述反射镜偏转的从目标区域反射的光引向所述光接收器。

更进一步地，所述接收透镜或接收透镜组中间有一间隙孔，所述基本发射透镜或基本发射透镜组位于所述接收透镜的间隙孔内，所述基本发射透镜与所述接收透镜光轴重合。

进一步地，所述驱动元件包括动力部件及传动部件。所述传动部件连接于所述动力部件与所述中空部件之间，使得所述中空部件在所述动力部件带动下旋转。

更进一步地，所述动力部件可以为任何形式的动力供给装置，优选为电机，如轴式电机等，可以通过皮带或者齿轮的传动方式将动力传动给所述中空部件使其旋转。

另外，旋转单元可以是中空电机。所述反射镜在所述中空电机的带动下旋转。所述中空电机中间有一通孔，经所述反射镜偏转的从目标区域反射的光通过中空电机的通孔并被所述光接收器接收。所述中空电机在较高转速下需要具备低振动、低噪声的特性，才能够较好的应用于该光学扫描传感器。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描传感器，通过设置阻光光栏，阻止杂散光进入到所述光接收器，提高了测量精度和有效量程，避免出现近距离的测量盲区。

进一步地，所述阻光光栏位于所述中空部件的上方边缘，阻止经曲面透光罩反射的杂散光进入所述光接收器。优选地，所述阻光光栏沿中空部件的上方边缘竖直放置。优选地，所述阻光光栏为圆筒状结构。优选地，所述阻光光栏位于受光单元的外边缘。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描传感器，通过采用顶拉机构，可以是顶拉螺杆，对所述反射镜进行固定，并可以通过配合调节该顶拉结构来调节反射镜角度，同时顶拉螺杆固定与快干型高强度胶水(如UV胶)粘接配合的设备组装方式，即保证了反射镜角度的精确和粘接牢固程度，同时节省了设备组装成本。

本发明提供了一种光学扫描传感器，所述反射镜支架得以使所述反射镜安装于所述旋转单元，保证反射镜随旋转单元一起旋转。

进一步地，所述反射镜支架由两个以上支撑壁及三个以上安装脚构成，所述反射镜安装在支撑壁上端，所述安装脚上有至少一个调节孔和至少一个固定孔。所述反射镜支架通过固定装置固定于所述旋转单元。进一步地，所述固定装置可以是固定螺杆，除了螺杆固定也可以替换为任何其它形式的机械固定连接方式。设置一个调节孔的原因是，除了通过机械连接的方式使反射镜支架固定于旋转单元上，通过调节调节孔内调节装置的松紧，起到调节反射镜角度的作用。进一步地，调节装置可以是调节螺杆，除调节螺杆之外，还可以是万向节、机械臂等。所述调节孔和所述固定孔起到顶拉结构调节反射镜角度的作用，优选地，顶拉结构为顶拉螺杆配合。配合调节各安装脚上的顶拉螺杆，调节反射镜角度。具体的调节方法为：ⅰ)将反射镜支架与反射镜固定连接；ii)将反射镜支架与旋转单元通过固定螺杆连接；iii)在安装脚的调节孔中置入调节螺杆，通过调节反射镜支架的安装脚与旋转单元之间的调节螺杆长度，将反射镜角度调整至预设的角度。应当说明的是，其他任何符合该种顶拉结构的形式，起到与本发明顶拉螺杆同样的效果的设计，均应视为包含在本发明内容中。

优选地，所述支撑壁沿反射镜边缘均匀排布，所述多个安装脚等间隔排布。更优地，所述反射镜支架由两个支撑杆和四个安装脚构成。所述两个支撑杆沿反射镜两侧边缘对称排布，所述四个安装脚呈90°间隔排布。

进一步地，所述安装脚上还包括注胶槽，更优地，注胶槽为上宽下窄的阶梯状结构。用于将胶引入安装脚与旋转单元之间的间隙，通过胶固化来使二者固定。同时，采用上宽下窄的结构为保证该注胶槽在注胶的时候有一定的盛胶的作用。此处所说的胶可以是任何胶，优选为快干胶，更优选为快干型高强度胶水，例如UV胶，其可在紫外光的烘烤下迅速凝固，起到迅速连接部件的作用。所述反射镜支架与所述旋转单元可通过胶固定连接。通过顶拉结构以及胶的配合，实现反射镜支架与旋转单元的固定以及反射镜角度的精确调节。具体地步骤为：ⅰ)将反射镜支架与反射镜固定连接；ii)将反射镜支架与旋转单元通过固定孔连接；iii)在安装脚的调节孔中置入调节螺杆，通过调节反射镜支架的安装脚与旋转单元之间的调节螺杆长度，将反射镜角度调整至预设的角度。在安装脚上的注胶槽注入胶，使安装脚与旋转单元在胶固化后粘结固定。此处UV胶的使用可以减少胶固化的时间，从而减少设备组装时间，降低设备组装成本。

更进一步地，发射镜的侧端通过反射镜支架与旋转单元连接，发射镜的底端与旋转单元直接连接，更优地，发射镜与阻光光栏直接相连，反射镜与旋转单元多一个固定点，使反射镜在旋转的时候更好的保持稳定。

更进一步地，反射镜为椭圆形，更优地，为特殊形状的反射镜，如上部设计成椭圆形，是要在不损失光接收单元的接收面积的前提下尽可能减轻重量；下部的固定边设计成三个直边，底边与所述旋转单元相连，也是为减轻重量，同时便于反射镜支架开模生产。同时反射镜与旋转单元多点支撑，保证了反射镜连续旋转状态下的稳定性。

本发明提供的光学扫描传感器，通过增加扩展部件等方式，可以实现多层扫描功能。进一步地，扩展部件可以是扩展投光单元，也可以是其他扩展部件。进一步地，所述扩展投光单元的个数可以根据所需垂直扫描角度范围(-n°～n°,n为任意正数)及垂直扫描角度间距m°确定，优选地为2n/m个。所述扩展投光单元为扩展发射透镜或扩展发射透镜组。

进一步地，所述扩展投光单元在所述受光单元的外周圆上等间距排布。

进一步地，所述扩展投光单元的光轴与所述受光单元的光轴同平面，相交于所述受光单元的后焦点上。

更进一步地，所述扩展投光单元的光轴与所述受光单元的光轴之间的空间夹角相同，为所述垂直扫描角度范围的一半(n/2°)。

该光学扫描传感器工作时，所述反射镜在所述旋转单元的带动下开始旋转时，在垂直扫描角上，各扩展发射透镜按幅度相同(n°)、相位不同(间距为360/2n°)的反正弦曲线对空间进行扫描；在水平扫描角上，则是按幅度相同(360°)、相位不同(间距为360/2n°)的反余弦曲线对空间进行扫描，由此获得垂直角度-n°～n°和水平360°范围的目标信息。此时，基本发射透镜的垂直扫描角度为0°，水平扫描角与反射镜旋转角相同。为增加水平和垂直扫描角的空间覆盖密度，可以再增加至少两个辅助扩展发射透镜或辅助扩展发射透镜透镜组，所述辅助扩展发射透镜或辅助扩展发射透镜组的光轴与接收透镜或接收透镜组光轴的夹角小于垂直扫描角度范围的一半。

应当指出的是，本发明光源包括一任意形式的光源，可以是通过激光发射器发射的激光，可以是微波，也可以是LED光源。优选地为激光，所述光源为半导体激光器。角度编码器用来记录反光镜片旋转的角度信息，角度编码器可以是空间角度定位码盘。光接收器可以是任何形式的光电转换装置，如光接收器电路板，或者可以在该单元只暂时收集光束，然后通过例如光学纤维等传递到另一区域进行包括光电转换过程。所述外界返回光束被光接收单元接收后传输到数据处理单元，经处理得到被测目标物的距离等信息。

附图说明

图1是以中空电机为旋转单元的光学扫描传感器示意图。

图2是以轴式电机带动中空部件旋转的示意图。

图3设置阻光光栏的光学扫描传感器示意图。

图4是设置阻光光栏后，经透光罩反射回的杂散光进入光接收器盲区的光路示意图。

图5是反射镜支架俯视图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

图1所示为本发明提供的一种光学扫描传感器。如图1所示，一种光学扫描传感器，包括球面透光罩1，反射镜2，反射镜支架3，空间角度定位盘6，中空电机9，接收透镜7-1，基本发射透镜7-2，接收透镜镜筒15，光接收器电路板11，光接收器电路板定位机构10，基础支撑结构12，激光发射驱动电路版13，激光传输光纤14。激光传输光纤14起到传输激光发射驱动电路版的信号的作用。基本发射透镜7-2与接收透镜7-1集成在反射镜的一侧。基本发射透镜7-2与接收透镜7-1的光轴重合，并与中空电机的中心轴重合。反射镜支架3由两个支撑壁21和四个安装脚22构成(图5)。两个支撑壁21沿反射镜2两侧边缘对称排布，四个安装脚22呈90°间隔排布。反射镜2通过反射镜支架3固定于中空电机9通孔的正上方，反射镜2呈45°倾斜。中空电机9为反射镜支架3提供动力，使反射镜支架3带动反射镜2旋转，从而对光束进行偏转并进行旋转扫描，实现装置的360°扫描。反射镜支架3安装脚22上有一个调节孔4和固定孔5。安装脚22上还设有注胶槽20。，在中空电机9的驱动下，反射镜支架3带动反射镜2旋转，从而可以使发射光束23-1(图4)与接收光束经反射镜2偏转并实现360°扫描，进而获得目标区域的距离等信息。在一个优选的实施方案中，上述基本发射透镜和接收透镜可置于中空电机的腔体内或部分置于中空电机腔体内，这样可实现空间的复用，整机结构紧凑，减小设备体积。

与传统锥面透光罩相比，在同等的光学工程参数条件下，如接收透镜有效光学口径r、透光罩材料折射率k、透光罩壁厚w相同的条件下，采用曲面透光罩，例如球面透光罩或抛物面透光罩，可明显提高光学扫描传感器的量程及精度。曲面透光罩可以为内外曲面平行厚度一致的透光罩，也可将外部曲面和内部曲面设计成不同的曲面，使其对远距离目标的近似平行反射光的汇聚效果更强，进一步提高有效受光面积，增大测距量程。在一个实施方案中，r＝16mm,k＝1.54,w＝2mm条件下，采用内外曲面平行厚度一致的球面透光罩的外部有效通光面积是锥面透光罩的1.3倍，相应的光学扫描传感器理论上极限量程能提高约14％。在技术验证原型机的测量试验中，采用上述光学工程参数，相同的投光系统光学工程参数及有效激光发射功率条件下，对10％表面反射率目标的极限测量距离，采用轴式电机和62°倾角锥面透光罩的光学扫描传感器的测距量程为40米，而采用中空电机的紧凑型球面透光罩的机型的测距量程可提高35％。

图2所示为光学扫描传感器旋转单元的一种变型示例，旋转单元包括一中空部件91，中空部件中间有一通孔，中空部件91上具有中空承载齿轮部件18，其保证中空部件91在外部电机16利用齿轮17传动带动下旋转，从而带动发射镜支架3和反射镜2旋转，实现装置的360°扫描。接收透镜筒15可置于中空部件91的腔体内或部分置于中空部件91腔体内，这样可实现空间的复用，整机结构紧凑，减小设备体积。

图3所示为光学扫描传感器增加阻光光栏的一种示例，在中空电机9的上方边缘设置阻光光栏19，阻光光栏高度为L，绕接收透镜上方一圈，呈圆筒状。如图4所示，设置阻光光栏19后，经透光罩1反射的杂散光23-2被阻光光栏遮挡而不能进入光接收器电路板11的光敏面11-1。

在本发明的另外一个实施例中，提供了反射镜支架与旋转单元的组装连接及反射镜角度的调节方式。第一步将反射镜2调节至所需角度，与反射镜支架3安装连接；第二步将反射镜支架2通过安装脚22上的固定孔5利用固定螺杆固定在中空电机9上盖上面，在注胶槽6中注入UV胶。接下来通过调节安装脚22上的四个调节孔4中的螺杆来微调反射镜的角度，每一维的夹角使用一对调节螺杆来调节，使其更为精确。具体的调节方式为：拧紧固定螺杆，调节调节螺杆，通过调节反射镜支架3安装脚22与中空电机9上盖的紧密贴合程度，使反射镜支架3微动，从而带动反射镜2角度的微调至所需精确角度。接着经UV光照射，反射镜支架3的安装脚22与中空电机9上盖之间的UV胶迅速固化，从而保证在设备组装过程中反射镜角度精确固定。

在本发明的另外一个实施例中，提供了光学扫描传感器实现多层扫描功能的一种扩展方案示例。在如图1所示的光学扫描传感器的基础上，在接收透镜7-1的外周圆上等间隔排布16个扩展发射透镜(图略)，光轴与接收透镜光轴的夹角为4°，反射镜2在中空电机9的带动下开始旋转时，在垂直扫描角上，各扩展发射透镜按幅度相同(8°)、相位不同(间距为22.5°)的反正弦曲线对空间进行扫描；在水平扫描角上，则是按幅度相同(360°)、相位不同(间距为22.5°)的反余弦曲线对空间进行扫描，则该光学扫描传感器所能实现的垂直扫描角度范围为-8°～+8°，垂直扫描角度间距为1°。本实施例中基本发射透镜或基本发射透镜组也可以省略不安装。

在本发明的另外一个实施例中，提供了光学扫描传感器实现多层扫描功能的一种扩展方案示例。在如图1所示的光学扫描传感器的基础上，在接收透镜7-1的外周圆上等间隔排布8个扩展发射透镜(图略)，光轴与接收透镜光轴的夹角为2°，反射镜2在中空电机9的带动下开始旋转时，在垂直扫描角上，各扩展发射透镜按幅度相同(4°)、相位不同(间距为45°)的反正弦曲线对空间进行扫描；在水平扫描角上，则是按幅度相同(360°)、相位不同(间距为45°)的反余弦曲线对空间进行扫描，则该光学扫描传感器所能实现的垂直扫描角度范围为-4°～+4°，垂直扫描角度间距为1°。本实施例中基本发射透镜或基本发射透镜组也可以省略不安装。

Claims (20)

1.一种光学扫描传感器，包括：

光源，发出发射光；

投光单元，将发射光引向反射镜；

偏转单元，包括反射镜和反射镜支架，所述反射镜将发射光偏转并引向目标区域以及将目标区域反射的光偏转并引向受光单元；

受光单元，将目标区域反射的光引向光接收器；

光接收器，接收受光单元引入的目标区域反射的光；

旋转单元，包括旋转部件和驱动元件；

透光罩，用于透过发射光和目标区域反射的光；

角度编码器，用于记录反射镜角度信息；

其特征在于：所述透光罩为曲面透光罩，所述旋转部件为一中空部件，所述中空部件中间为一通孔，所述中空部件在驱动元件带动下绕其中心轴旋转，所述反射镜与旋转单元通过反射镜支架连接，所述投光单元包括基本投光单元，且基本投光单元和所述受光单元为收发同轴光学系统并位于所述反射镜同一侧，经所述反射镜偏转的目标区域反射的光经所述中空部件的通孔进入光接收器。

2.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述曲面透光罩为球面透光罩或抛物面透光罩。

3.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述中空部件的中心轴和所述基本投光单元以及所述受光单元的光轴重合。

4.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述基本投光单元与受光单元位于所述中空部件的中间通孔内或位于所述中空部件的通孔的上方。

5.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述基本投光单元为基本发射透镜或基本发射透镜组，所述受光单元为接收透镜或接收透镜组。

6.如权利要求5所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述接收透镜或接收透镜组具有间隙孔，所述基本发射透镜或基本发射透镜组在间隙孔内。

7.如权利要求1～6所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述驱动元件包括动力部件及传动部件，所述传动部件连接于所述动力部件与中空部件之间，使得所述中空部件在动力部件带动下旋转。

8.如权利要求7所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述动力部件为轴式电机，所述传动部件为齿轮或皮带。

9.如权利要求1～6所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述旋转单元为中空电机。

10.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：还包括阻光光栏，其位于所述中空部件的上方。

11.如权利要求10所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述阻光光栏为圆筒状结构。

12.如权利要求11所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述阻光光栏位于受光单元外边缘。

13.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述反射镜支架包括至少两个支撑壁和至少三个安装脚，所述反射镜与支撑壁上端相连，所述每个安装脚上有至少一个调节孔和至少一个固定孔，所述调节孔内置有调节装置，固定孔内置有固定装置。

14.如权利要求13所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述固定孔内置有固定螺杆，所述调节孔内置有调节螺杆。

15.如权利要求13所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述安装脚上还包括注胶槽。

16.如权利要求1所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述投光单元还包括至少两个扩展投光单元。

17.如权利要求16所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述扩展投光单元在所述受光单元的外周圆上等间距排布。

18.如权利要求16所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述扩展投光单元的光轴与所述受光单元的光轴同平面，相交于所述受光单元的后焦点上。

19.如权利要求16所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述扩展投光单元的光轴与所述受光单元的光轴之间的空间夹角相同。

20.如权利要求16-19所述的光学扫描传感器，其特征在于：所述扩展投光单元为扩展发射透镜或扩展发射透镜组。