CN111505605A - 一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，包括发射模块、接收模块、转镜模块和驱动电机；所述发射模块和接收模块设置在转镜模块的同侧，且所述转镜模块贴近发射模块和接收模块；所述驱动电机驱动转镜模块围绕其旋转轴匀速旋转；所述发射模块射出的中心光轴、接收模块的光轴和驱动电机的旋转轴设置在一个平面内；所述发射模块射出的中心光轴和接收模块的光轴平行，且两者和驱动电机的旋转轴呈一定角度，但不相互垂直；本发明降低了发射模块成本和装调难度；有效避免接收模块自身遮挡回波信号，从而实现大范围扫描；转镜模块和发射模块、接收模块靠得很近，减小了系统尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，属于光学、激光雷达技术领域。
背景技术
激光雷达通过发射激光与接收到回波信号的时间差实现测距功能，目前市面上有两种主流激光雷达：多线激光雷达和摆镜式激光雷达（多为MEMS振镜）。多线激光雷达利用多个激光发射阵列，同时发射及接收多束激光，再结合机械旋转装置实现二维扫描，多线激光雷达利用了机械旋转装置，可以实现大范围扫描，但是需要用到多个激光发射阵列，且发射模块之间需要呈固定角度分布，成本高，装调难度大；摆镜式激光雷达最少只需要一束激光，通过摆镜对光束进行二维扩展，因此发射模块相对于多线激光雷达成本更低，但是受限于摆镜的摆动角度，摆镜式激光雷达扫描角难以做大。
中国发明专利CN109725299A公开了一种扫描装置、雷达装置及其扫描方法，该扫描装置包括：扫描棱镜，包括多个扫瞄镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴形成一定空间角，所有的该空间角的角度不完全相同；收发组件，该收发组件包括多个激光发射单元以及多个激光接收单元，每个激光发射单元分别发出一激光束，各个激光束之间均存在夹角；多个发射单元通过扫描镜面的转动而产生扫描线，其中，同一激光发射单元通过该扫描棱镜的旋转产生多条扫描线，这种方案的缺点在于：收发组件需要多个激光发射单元和多个激光接收单元，各个激光束之间存在夹角，因此发射模块成本高，装调难度大。
中国发明专利CN109997057A公开了一种机械扫描摆镜式激光雷达系统，该系统可以只使用一个发射单元，首先通过一个一维摆镜实现竖直方向的扫描，再结合机械旋转的方式，实现水平方向的360°扫描，该雷达系统收发光路同轴，发射光束需要穿过一个与光轴不垂直的带孔反射镜，返回的光束经过带孔反射镜反射偏离出发射光束的光轴，从而被接收期间接收。这个方案的缺点在于：返回的光束需要经过一个带孔反射镜反射，会有部分能量损失。
中国发明专利CN110018481A公开了一种激光雷达装置，该装置也通过摆镜和转镜相结合的方式来扩展扫描视场，通过一个一维摆镜实现竖直方向的扫描，再利用一个旋转轴和发射模块出射中心光轴相互垂直的转镜实现水平方向的扫描，这个方案的缺点在于，转镜旋转轴和发射模块出射中心光轴相互垂直，部分回波信号会被接收镜头的边缘遮挡，导致信号变弱，难以实现大范围扫描。除非将转镜设置得远离接收模块，但这样就会使系统整体尺寸变大，不利于系统小型化。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，降低了多线激光雷达的成本和装调难度，减小了激光雷达系统尺寸。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，包括发射模块、接收模块、转镜模块和驱动电机；所述发射模块和接收模块设置在转镜模块的同侧，且所述转镜模块贴近发射模块和接收模块；所述驱动电机驱动转镜模块围绕其旋转轴匀速旋转；所述发射模块射出的中心光轴、接收模块的光轴和驱动电机的旋转轴设置在一个平面内；所述发射模块射出的中心光轴和接收模块的光轴平行，且两者和驱动电机的旋转轴呈一定角度，但不相互垂直；所述发射模块由单束激光器、准直镜、平面反射镜和一维摆镜组成；所述一维摆镜围绕固定轴做对称角度的摆动；所述固定轴与发射模块射出的中心光轴、接收模块的光轴和驱动电机的旋转轴所在平面垂直；所述接收模块由窄带滤光片、接收镜头和接收探测器组成。
优选的，所述一维摆镜为MEMS振镜、谐振镜、镜式检流计或者扩散透镜中的任意一种。
优选的，所述转镜模块为一块两面均可反射的反射镜。
优选的，所述转镜模块为至少3片反射镜围成的反射镜组。
优选的，所述转镜模块的每个反射镜和驱动电机的旋转轴相互平行。
优选的，所述转镜模块的每个反射镜和驱动电机的旋转轴呈不同夹角设置。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，采用单束激光器和一维摆镜取代多线激光雷达的多束激光发射模块，降低发射模块成本和装调难度；通过一维摆镜的摆动增加扫描线数量，扫描线的数量不受激光发射单元数量的限制；转镜模块倾斜放置，将发射光线偏离发射模块和接收模块反射出去，有效避免接收模块自身遮挡回波信号，从而实现大范围扫描；转镜模块和发射模块、接收模块靠得很近，减小了系统尺寸。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达的整体示意图；
附图2为本发明的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达的转镜模块示意图；
附图3为本发明的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达的工作状态局部放大图；
其中：1、发射模块；2、接收模块；3、转镜模块；4、驱动电机；5、旋转轴；6、中心光轴；7、光轴；8、单束激光器；9、准直镜；10、平面反射镜；11、一维摆镜；12、窄带滤光片；13、接收镜头；14、接收探测器。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1-3所示为本发明所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，包括发射模块1、接收模块2、转镜模块3和驱动电机4；所述发射模块1和接收模块2设置在转镜模块3的同侧，且所述转镜模块3贴近发射模块1和接收模块2；所述驱动电机4驱动转镜模块3围绕其旋转轴5匀速旋转；所述发射模块1射出的中心光轴6、接收模块2的光轴7和驱动电机4的旋转轴5设置在一个平面内；所述发射模块1射出的中心光轴6和接收模块2的光轴7平行，且两者和驱动电机4的旋转轴5呈一定角度，但不相互垂直；所述发射模块1由单束激光器8、准直镜9、平面反射镜10和一维摆镜11组成；所述一维摆镜11围绕固定轴做对称角度的摆动；所述固定轴与发射模块1射出的中心光轴6、接收模块2的光轴7和驱动电机4的旋转轴5所在平面垂直；所述接收模块2由窄带滤光片12、接收镜头13和接收探测器14组成。
为了满足多种摆镜的需要，所述一维摆镜11为MEMS振镜、谐振镜、镜式检流计或者扩散透镜中的任意一种。
为了实现转镜模块3的功能，所述转镜模块3为一块两面均可反射的反射镜。
为了更好的实现转镜模块3的功能，所述转镜模块3为至少3片反射镜围成的反射镜组。
为了增加发射端扫描帧率，使每片反射镜扫描的区域相同，所述转镜模块3的每个反射镜和驱动电机4的旋转轴5相互平行。
为了增大发射单元扫描范围，使每个反射镜往不同方向发射光信号，所述转镜模块3的每个反射镜和驱动电机4的旋转轴5呈不同夹角设置。
装置工作时，单束激光器8发出脉冲激光，经准直镜9准直，再经过平面反射镜10反射，入射到一维摆镜11表面，由于一维摆镜11以特定频率围绕固定轴做对称角度的摆动，其反射光束形成一定角度的扇形扫描区域，打在转镜模块3的反射镜表面，由于转镜模块3围绕驱动电机4旋转轴5做匀速转动，不同时刻光束以不同的角度被反射出去，打在探测物体上，物体的反射光为回波信号，经过转镜模块3同一块反射镜反射，经过窄带滤光片12滤除环境光，再经过接收镜头13的汇聚，被接收探测器14接收，经数据处理得到探测物体的距离信息。
本发明的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，采用单束激光器8和一维摆镜11取代多线激光雷达的多束激光发射模块1，降低发射模块1成本和装调难度；通过一维摆镜11的摆动增加扫描线数量，扫描线的数量不受激光发射单元数量的限制；转镜模块3倾斜放置，将发射光线偏离发射模块1和接收模块2反射出去，有效避免接收模块2自身遮挡回波信号，从而实现大范围扫描；转镜模块3和发射模块1、接收模块2靠得很近，减小了系统尺寸。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：包括发射模块、接收模块、转镜模块和驱动电机；所述发射模块和接收模块设置在转镜模块的同侧，且所述转镜模块贴近发射模块和接收模块；所述驱动电机驱动转镜模块围绕其旋转轴匀速旋转；所述发射模块射出的中心光轴、接收模块的光轴和驱动电机的旋转轴设置在一个平面内；所述发射模块射出的中心光轴和接收模块的光轴平行，且两者和驱动电机的旋转轴呈一定角度，但不相互垂直；所述发射模块由单束激光器、准直镜、平面反射镜和一维摆镜组成；所述一维摆镜围绕固定轴做对称角度的摆动；所述固定轴与发射模块射出的中心光轴、接收模块的光轴和驱动电机的旋转轴所在平面垂直；所述接收模块由窄带滤光片、接收镜头和接收探测器组成。
2.如权利要求1所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：所述一维摆镜为MEMS振镜、谐振镜、镜式检流计或者扩散透镜中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：所述转镜模块为一块两面均可反射的反射镜。
4.如权利要求1所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：所述转镜模块为至少3片反射镜围成的反射镜组。
5.如权利要求3或4所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：所述转镜模块的每个反射镜和驱动电机的旋转轴相互平行。
6.如权利要求3或4所述的一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达，其特征在于：所述转镜模块的每个反射镜和驱动电机的旋转轴呈不同夹角设置。
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