CN110967680A - 用于三维扫描的复合结构转镜及应用其的激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种用于三维扫描的复合结构转镜及应用其的激光雷达，用于三维扫描的复合结构转镜包括：转镜本体，包括多个转镜单元，每个转镜单元包括：反射面；折射介质，设置于所述反射面外侧，所述折射介质包括多个折射率不同的折射介质单元；旋转轴，设置于所述转镜本体的中轴线上，用于所述转镜本体围绕所述旋转轴进行圆周转动；步进轨道，用于所述转镜本体沿着步进轨道步进移动，且所述步进本体在步进移动时，一入射光线能依次入射到不同折射率的折射介质单元上。本发明使得单束激光在该用于三维扫描的复合结构转镜的扫描工作方式下直接获得三维空间内的扫描。

Description

用于三维扫描的复合结构转镜及应用其的激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种用于三维扫描的复合结构转镜及应用其的激光雷达。

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系统。其工作原理是向目标发射激光束，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。它由激光发射机、光学接收机、扫描部件和信息处理系统等组成，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，送到处理器。要获得较大区域的观察测量区域，激光雷达通常使用扫描方式工作，主要有转台扫描、转镜扫描、振镜扫描、卵形扫描和双光楔扫描等。

二维激光雷达可以扫描一个平面，三维激光雷达可以扫描一个空间。通常，三维雷达通过二维雷达增加一个方向的扫描来实现，或者采用多束激光同时在多个平面扫描来实现。因此，现有技术的三维雷达实现方式采用的部件多，结构大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于激光雷达三维扫描的复合结构转镜，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。

作为本发明的一个方面，提供了一种用于三维扫描的复合结构转镜，包括：

转镜本体，包括多个转镜单元，每个转镜单元包括：

反射面；

折射介质，设置于所述反射面外侧，所述折射介质包括多个折射率不同的折射介质单元；

旋转轴，设置于所述转镜本体的中轴线上，用于所述转镜本体围绕所述旋转轴进行圆周转动；

步进轨道，用于所述转镜本体沿着步进轨道步进移动，且所述步进本体在步进移动时，一入射光线能依次入射到不同折射率的折射介质单元上；

其中，所述转镜本体同时进行步进移动和圆周转动，使入射到所述转镜本体上的入射光线能实现三维角度的偏转。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种激光雷达，包括：

如上述的用于三维扫描的复合结构转镜；

激光器，所述激光器输出的光线入射到所述用于三维扫描的复合结构转镜上，实现三维角度的扫描。

基于上述技术方案，本发明相比于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

本发明设计的用于三维扫描的复合结构转镜，由不同折射率的材料构成，可以使得单束激光在该用于三维扫描的复合结构转镜的扫描工作方式下直接获得三维空间内的扫描；本发明减少了扫描部件的使用，直接获得三维空间扫描。

附图说明

图1是本发明实施例1用于三维扫描的四棱转镜结构示意图；

图2是本发明实施例2用于三维扫描的六棱转镜结构示意图；

图3是本发明实施例1和实施例2的用于三维扫描的复合结构转镜纵剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种用于三维扫描的复合结构转镜，包括：

转镜本体，包括多个转镜单元，每个转镜单元包括：

反射面；

折射介质，设置于反射面外侧，折射介质包括多个折射率不同的折射介质单元；

旋转轴，设置于转镜本体的中轴线上，用于转镜本体围绕旋转轴进行圆周转动；

步进轨道，用于转镜本体沿着步进轨道步进移动，且步进本体在步进移动时，一入射光线能依次入射到不同折射率的折射介质单元上；

其中，转镜本体同时进行步进移动和圆周转动，使入射到转镜本体上的入射光线能实现三维角度的偏转。

在本发明的实施例中，转镜本体沿着步进轨道步进移动，且步进本体在步进移动时，一入射光线能依次入射到不同折射率的折射介质单元上，进而，随着转镜本体的步进移动，一入射光线实现在一平面上不同角度的偏转；

而随着转镜本体在步进移动的同时，发生圆周转动，一入射光线实现三维空间角度的偏转。

在本发明的实施例中，折射介质单元的折射率大小沿步进轨道方向依序分布，每个折射率介质单元的厚度相同；

其中，单个折射介质单元的厚度与转镜本体的单个步进距离相同。

在本发明的其他实施例中，并不局限于每个折射介质单元的厚度相同，或者该厚度与每个步进距离相同；但是，在本发明实施例中，当每个折射介质单元的厚度相同，且与每个步进距离相同，可以实现在步进时，每步近一距离，则改变一次折射介质的折射率，使入射光线在每一个步进过程中都发生角度的偏转，最终实现扫描范围大。

在本发明的实施例中，反射面与折射介质的外侧壁之间呈夹角设置，其夹角为锐角。

在本发明的其他实施例中，并不局限于反射面与折射介质的外侧壁呈夹角设置，还可以设置为平行；但是，当成锐角设置时，入射光线的角度偏转范围大。

在本发明的实施例中，转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，其中，1＜N＜1000。

在本发明的实施例中，N的个数越多，转镜本体越趋近于圆柱体，使入射光线的偏转角度变小，综合考虑，N适宜个数为1～1000。

在本发明的实施例中，转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，形成中空的N棱柱体，且中空部分为正N棱台。

在本发明的实施例中，转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，形成中空的正N棱台，且中空部分为N棱柱体。

在本发明的实施例中，转镜本体的旋转周期与转镜本体的步进周期相同；

转镜本体的每个旋转周期的旋转次数与转镜本体的每个步进周期的步进次数相同。

在本发明的实施例中，与折射介质接触的反射面上镀有高反膜。

作为本发明的另一个方面，还提供一种激光雷达，包括：

如上述的用于三维扫描的复合结构转镜；

激光器，激光器输出的光线入射到用于三维扫描的复合结构转镜上，实现三维角度的扫描。

在本发明的实施例中，激光器输出的光线为单束激光束。

下面，结合具体实施例及附图对本发明的用于三维扫描的复合机构转镜作进一步说明。

实施例1

在本发明的实施例中，转镜有N个棱，对应的，该转镜侧面有N个面，转镜上表面和转镜下表面均为等边N边形，1＜N＜100。

图1为本发明实施例1用于三维扫描的四棱转镜结构示意图；如图1所示，本实施例1以四棱转镜为例，四棱转镜分为内外两个部分，分别用实线和虚线表示。

上表面和下表面中心均在x轴上，且上下表面及上下表面的每条边长互相平行，边长为m。四棱转镜高度为h。

四棱转镜的旋转轴通过上表面和下表面中心，与x轴平行。

四棱转镜的内外两个部分分别用实线和虚线表示，内外部分的高度均为h。

内部分在图中用实线表示。内部分的上表面边长为m，下表面边长为n，m＜n，呈多棱梯形台形状。内部分侧面均为反射面，镀有与激光光束对应的高反膜。

外部分用虚线表示。外部分的上下表面边长均为m，为去除内部分的多棱梯形台后剩下的部分。

如图3所示，外部分为不同折射率的介质构成。激光雷达的单束激光光束，首先入射到该四棱转镜某一侧面上，进入外部分的介质，发生折射，当入射到内部分的表面上后，发生反射，再次通过外部分的介质，并出射。激光在侧面上入射的位置不同，进入不同折射率的外部分介质，偏转的折射角度不同，因而有不同的出射角。

为方便描述四棱转镜的外部分几何结构，引入一截面，该截面通过中心旋转轴且垂直于上下表面的边长，该截面在四棱转镜外部分上截出一直角三角形。

如图3所示，四棱转镜外部分由不同折射率的介质构成，分别是折射率：n₁＞n₂＞n₃＞n......＞n_N，不同折射率介质由上到下依次分布，不同折射率介质厚度均为d。

激光光束入射方向垂直于四棱转镜的侧表面，入射在某一折射率介质的中间，入射后光束两次经过外部介质。

当激光入射光和出射光均在同一种介质中时，经计算，其偏转角为

四棱转镜每转过一个侧表面(也就是四棱转镜转过的角度为360°/N)，向上步进一个高度d，入射光由折射率n₁介质进入到折射率n₂介质，再进入到折射率n₃介质，折射率依次增大，偏转角也依次增大。如图3所示，入射光在折射率n₂介质折射后的出射光；以及转镜步进d后，入射光进入到折射率n₃介质折射后的出射光(图中用入射光’和出射光’标出)。

这样，激光雷达通过使用该四棱转镜，由于不同折射率的介质的折射角不同，使得单束激光光源的出射光线可以有N个角度的扫描，从而获得三维雷达的扫描结果。

实施例2

图2为本发明实施例2用于三维扫描的六棱转镜，如图2所示，本实施例2与实施例1的不同之处在于：本实施例2为六棱转镜，即转镜本体包括六个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，形成中空的六棱柱体，且中空部分为正六棱台。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，包括：

转镜本体，包括多个转镜单元，每个转镜单元包括：

反射面；

折射介质，设置于所述反射面外侧，所述折射介质包括多个折射率不同的折射介质单元；

旋转轴，设置于所述转镜本体的中轴线上，用于所述转镜本体围绕所述旋转轴进行圆周转动；

步进轨道，用于所述转镜本体沿着步进轨道步进移动，且所述步进本体在步进移动时，一入射光线能依次入射到不同折射率的折射介质单元上；

其中，所述转镜本体同时进行步进移动和圆周转动，使入射到所述转镜本体上的入射光线能实现三维角度的偏转。

2.根据权利要求1所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述折射介质单元的折射率大小沿步进轨道方向依序分布，每个折射率介质单元的厚度相同；

其中，所述单个折射介质单元的厚度与所述转镜本体的单个步进距离相同。

3.根据权利要求1所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述反射面与折射介质的外侧壁之间呈夹角设置，其夹角为锐角。

4.根据权利要求2所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，其中，1＜N＜1000。

5.根据权利要求4所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，形成中空的N棱柱体，且中空部分为正N棱台。

6.根据权利要求4所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述转镜本体包括N个相同的纵截面为直角三角形的转镜单元，形成中空的正N棱台，且中空部分为N棱柱体。

7.根据权利要求4所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，所述转镜本体的旋转周期与所述转镜本体的步进周期相同；

所述转镜本体的每个旋转周期的旋转次数与转镜本体的每个步进周期的步进次数相同。

8.根据权利要求1所述的用于三维扫描的复合结构转镜，其特征在于，与所述折射介质接触的所述反射面上镀有高反膜。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的用于三维扫描的复合结构转镜；

激光器，所述激光器输出的光线入射到所述用于三维扫描的复合结构转镜上，实现三维角度的扫描。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器输出的光线为单束激光束。

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