CN111537978A - 一种同轴激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，尤其公开了一种同轴激光雷达，包括壳体，壳体包括透光区，透光区为沿壳体的壳壁周向设置的环形窗屏；激光反射模块，包括可旋转设置的反射扫描镜，反射扫描镜包括反光斜面，反射扫描镜至少反光斜面位于透光区内；激光发射模块，位于透光区内，与反射扫描镜相连，使反射扫描镜旋转可带动激光发射模块对目标物实施旋转扫描；激光接收模块，位于反光斜面的上方；旋转扫描过程中，激光发射模块发射的激光经透光区射出壳体后照射到目标物上，由目标物反射的激光经透光区射入壳体内经反光斜面反射后被激光接收模块接收。本发明公开的同轴激光雷达的旋转扫描的角度分辨率一致，且获取的点云数据间隔相同。

Description

一种同轴激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种同轴激光雷。

背景技术

激光雷达是一种主动式激光测量产品，被大量的嵌入到无人机、机器人上，当作人眼使用功用，进行导航、测量等。现有的主流且成熟的激光雷达方案为机械旋转式结构结合激光光学模组，其中，最为广泛的光学模组采用的是发射光路与接收光路共轴且发射光路位于中心开孔的接收镜的光轴上，发射光的导出和接收光的导入通过旋转的反射扫描镜实现。但存在的缺点是激光器出射的是非圆形光斑，由发射端入射到折转光路的反射扫描镜上，反射扫描镜旋转过程中实时改变激光束的形状，从而导致激光雷达的角度分辨率不一致，获取的点云数据的间隔不相同，需要通过复杂的信号处理加以解决，势必使激光雷达的电学性能和信号处理性能更加复杂化。

有鉴如此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种旋转扫描的角度分辨率一致，且获取的点云数据间隔相同的同轴激光雷达。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种同轴激光雷达，包括

壳体，所述壳体包括透光区，所述透光区为沿所述壳体的壳壁周向设置的环形窗屏；

激光反射模块，包括可旋转设置的反射扫描镜，所述反射扫描镜包括反光斜面，所述反射扫描镜至少所述反光斜面位于所述透光区内；

激光发射模块，位于所述透光区内，与所述反射扫描镜相连，使所述反射扫描镜旋转可带动所述激光发射模块对目标物实施旋转扫描；

激光接收模块，位于所述反光斜面的上方；

旋转扫描过程中，所述激光发射模块发射的激光经所述透光区射出所述壳体后照射到目标物上，由目标物反射的激光经所述透光区射入所述壳体内经所述反光斜面反射后被所述激光接收模块接收。

进一步可选地，所述反射扫描镜包括一底面和与所述底面相连的侧面，所述反光斜面分别与所述底面和所述侧面相连；

所述反射扫描镜的内部开设一横向的通道，所述通道将所述侧面与所述反光斜面连通，所述激光发射模块包括激光发射单元和激光发射镜组，所述激光发射单元设置在所述侧面上且使其发射的激光射入所述通道内；所述激光发射镜组位于所述通道内，或位于所述通道在所述反光斜面一侧的延长线上；所述激光发射单元发射的激光射入所述通道由所述激光发射镜组整形成平行光后经所述透光区射出。

进一步可选地，所述激光发射单元包括发射板和激光器，所述发射板装配在所述侧面上，所述激光器设置在所述发射板上并伸入所述通道内。

进一步可选地，所述同轴激光雷达还包括与所述通道相连通的导光筒，所述导光筒的一端位于所述通道内，另一端从所述反光斜面的一侧延伸至所述透光区且与所述透光区保持一定间隙，所述激光发射镜组位于所述导光筒内。

进一步可选地，所述壳体包括具有一凹腔的上盖，所述上盖罩设在所述透光区上，所述激光接收模块位于所述上盖内并设置在所述上盖的顶部。

进一步可选地，所述激光接收模块包括激光接收单元、接收镜组、接收镜架和接收镜筒，所述接收镜架固定在所述上盖的顶部，所述接收镜筒的一端与所述接收镜架相连，所述接收镜组安装在所述接收镜筒的另一端，所述激光接收单元设置在所述接收镜架上且与所述接收镜组对应设置；

所述反光斜面反射的激光照射至所述接收镜组上进行整形，整形后的激光汇集至所述激光接收单元被所述激光接收单元接收。

进一步可选地，所述激光接收单元包括接收板和探测器，所述接收板设置在所述接收镜架上，所述探测器设置在所述接收板上且位于所述接收镜组的中心线上，经所述接收镜组整形后的激光汇集至所述探测器上被所述探测器接收。

进一步可选地，所述通道的激光出口位于所述反光斜面的中心，所述反光斜面的中心位于所述接收镜组的中心线上。

进一步可选地，所述接收镜筒与所述接收镜架螺纹连接，其中所述接收镜架与所述接收镜筒相连的一端设有外螺纹/内螺纹，相对应的，所述镜筒与所述接收镜架相连的一端设有内螺纹/外螺纹。

进一步可选地，所述同轴激光雷达包括底座，所述透光区位于所述上盖和所述底座之间，所述同轴激光雷达还包括旋转电机，所述旋转电机设置在所述底座上并与所述反射扫描镜的底部相连用来驱动所述反射扫描镜旋转。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的采用机械旋转式结构，发射光路固定在反射扫描镜上，发射光路输出激光束，接收光路位于反射扫描镜的上方，由被测目标物返回的激光束通过反射扫描镜反射进入接收光路，反射扫描镜与固定在反射扫描镜上的发射光路由旋转电机驱动实现旋转扫描。该激光雷达的接收光路与发射光路分开，但通过反射扫描镜实现同轴的目的，故有效的解决了盲区问题；同时旋转扫描的角度分辨率一致，不存在各点云数据的间隔不一样；加工制造成本不高，系统结构紧凑、体积小，光路结构简单。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1：为本发明实施例的同轴激光雷达的结构示意图；

图2：为本发明实施例的反射扫描镜21的三维结构图；

图3：为图2的正视图；

图4：为图2的右视图；

图5：为图2的左视图；

图6：为图2的仰视图；

图7：为图2的俯视图

其中：

1、壳体；11、透光区；12、上盖；

21、反射扫描镜；22、旋转电机；23、固定板；211、反光斜面；212、侧面；213、底面；214、通道；2111、第一连通孔；2121、第二连通孔；2131、安装孔；

31、激光发射单元；32、激光发射镜组；311、激光器；312、发射板；

41、接收镜架；42、接收镜筒；43、接收镜组；44、激光接收单元；441、探测器；442、接收板；

5、导光筒；6、底座。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提出了一种同轴激光雷达，如图1所示，包括壳体1、激光反射模块、激光发射模块和激光接收模块。壳体1上设有透光区11，具体的，透光区11为沿壳体1的壳壁周向设置的环形窗屏；一种实施方式为，壳体1为封闭的一个整体，透光区11为设置在壳体1中部的环形窗屏。另一种实施方式为，激光雷达还包括一个底座6，壳体1呈一个罩体罩设在底座6上，透光区11为位于罩体与底座6之间的环形窗屏。

激光反射模块包括可旋转设置的反射扫描镜21，反射扫描镜21包括反光斜面211，且至少反光斜面211位于透光区11内；一种实施方式为，整个反射扫描镜21均位于透光区11所围成的环形区域内；另一种实施方式为，仅将反光斜面211放置在透光区11所围成的环形区域内。无论何种设置，只需目标物反射的激光通过透光区11均能全部照射到反光斜面211上即可。

激光发射模块位于透光区11内，且使激光发射模块发射的激光均从透光区11射出壳体1。激光发射模块与反射扫描镜21相连，反射扫描镜21旋转带动激光发射模块对目标物实施旋转扫描，从而对目标物实现全方位扫描。通过将激光发射模块与反射扫描镜21相连，即将接收光路与发射光路分开，又实现了接收光路与发射光路的同轴，有效解决了盲区问题。

激光接收模块，位于反光斜面211的上方，经反光斜面211反射的激光被激光接收模块接收。

旋转扫描过程中，激光发射模块发射的激光经透光区11射出壳体1后照射到目标物上，由目标物反射的激光经透光区11射入壳体1内经反光斜面211反射后被激光接收模块接收。

本实施例的激光雷达的接收光路与发射光路分开，但通过反射扫描镜21的反光斜面211实现同轴，故有效的解决了盲区问题；同时本实施例的激光雷达的旋转扫描的角度分辨率一致，不存在各点云数据的间隔不一样的问题。

进一步可选的，反射扫描镜21包括一底面213和与底面213垂直相连的侧面212，反光斜面211分别与底面213和侧面212相连；具体的，如图2和图3所示，反射扫描镜21的正视图为一近似三角形的结构，优选为近似直角三角形的结构，如此设置可简化激光发射单元31与发射扫描镜之间的装配。如图2-7所示，直角三角形的斜边所在的平面为反光斜面211，位于底部的直角边所在的平面为底面213，位于侧部的直角边所在的平面为侧面212。反光斜面211位于直角三角形的直角的对边的位置。本实施例的反射扫描镜21的底面213与反光斜面211的夹角可为任意锐角，优选为45°，通过如此设置反光斜面211上反射的光线能尽可能多的反射到激光接收模块上从而被激光接收模块接收。本实施例的反射扫描镜21均位于透光区11所围成的环形区域内，反射镜面粗糙度等级要求较高，且表面进行氧化处理。

如图1所示，扫描镜的内部开设一条横向的通道214，通道214将侧面212与反光斜面211连通，激光发射模块包括激光发射单元31和激光发射镜组32，激光发射单元31用来发射激光，激光发射镜组32用来将激光发射单元31发射的激光束整形成平行光后经透光区11射出照射到目标物上。激光发射单元31设置在侧面212上且使其发射的激光射入通道214内；激光发射镜组32位于通道214内，或位于通道214在反光斜面211一侧的延长线上；激光发射单元31发射的激光射入通道214由激光发射镜组32整形成平行光后经透光区11射出。当激光发射镜组32位于通道214在反光斜面211一侧的延长线上时，激光发射镜组32与反光斜面211直接或间接相连，且激光发射镜组32与通道214位于反光斜面211上的激光出口相对应，使激光发射单元31发射的激光经过通道214能直接照射到激光发射镜组32上。

进一步可选的，激光发射单元31包括发射板312和激光器311，发射板312装配在垂直面上，激光器311设置在发射板312上并伸入通道214内。发射板312为激光器311点亮提供驱动，优选的，激光器311为脉冲式发光二极管；如图2-7所示，在反光斜面211上开设第一连通孔2111，在侧面212上开设第二连通孔2121，第一连通孔2111与第二连通孔2121连通形成通道214。优选第二连通孔2121的孔径大于第一连通孔2111的孔径，这样便于激光器311深入通孔内并在一定范围内可调。如图1所示，激光器311安装在发射板312上，发射板312通过螺钉固定螺纹孔上，激光器311深入到第二连通孔2121内部，第二连通孔2121的深度大于激光器311的激光头的长度，第二连通孔2121的直径大于激光器311的激光头的直径；发射端光路的调节是通过在发射板312与反射扫描镜21的垂直面之间增减垫片实现。

进一步可选的，同轴激光雷达还包括与通道214相连通的导光筒5，导光筒5的一端位于通道214内，另一端从反光斜面211的一侧延伸至透光区11且与透光区11保持一定间隙，激光发射镜组32位于导光筒5内。如图1所示，导光筒5的一端从第一连通孔2111插入到通道214中，另一端延伸到透光区11，为了在旋转扫描的过程中防止导光筒5与透光区11之间出现刮擦，透光区11与导光筒之间需要保留一定空隙，空隙的宽度控制在导光筒5移动过程中不与透光区11接触即可。优选，第一连通孔2111开设在反光斜面211的中心，导光筒5固定在反光斜面211的中心。激光发射镜组32为单片非球面透镜，且具有正光焦度，用于整形激光器311出射的激光束，将发散激光束准直成平行光；优选的，导光筒5进行发黑处理，用于消除激光雷达内部的杂光的干扰。

进一步可选的，壳体1包括具有一凹腔的上盖12，上盖12罩设在透光区11上，激光接收模块位于上盖12内并设置在上盖12的顶部。通过如此设置可使激光接收模块设置在反光斜面211的上方。优选的，上盖12为金属散热材料，且内表面发黑处理，用于消除激光雷达内部的杂光的干扰。

进一步可选的，激光接收模块包括激光接收单元44、接收镜组43、接收镜架41和接收镜筒42，接收镜架41固定在上盖12的顶部，接收镜筒42的一端与接收镜架41相连，接收镜组43安装在接收镜筒42的另一端，激光接收单元44设置在接收镜架41上且与接收镜组43对应设置；

具体的，如图1所示，激光接收模块整体安装在上盖12之内，优选固定在上盖12顶部的中心区域。激光接收单元44包括接收板442和探测器441，接收板442设置在接收镜架41上，优选的，在接收镜架41靠近接收镜组43的一侧开设安装槽，接收板442嵌设在安装槽内并通过螺钉固定在接收镜架41上；接收板442上贴片探测器441且探测器441位于接收镜组43的中心线上，经接收镜组43整形后的激光汇集至探测器441上被探测器441接收。接收镜组43通过接收镜筒42安装在接收镜架41上。优选的，接收镜组43为单片非球面透镜，具有大相对孔径的光学性能，实现增大光通量的目的。接收镜组43安装在接收镜筒42内，接收镜架41与接收镜筒42相连的一端设有外螺纹/内螺纹，相对应的，镜筒与接收镜架41相连的一端设有内螺纹/外螺纹，且外螺纹与内螺纹相匹配，接收镜筒42旋至接收镜架41上。接收端光路的调节是通过前后旋接收镜筒42来实现。反光斜面211反射的激光照射至接收镜组43上进行整形，整形后的激光汇集至探测器441被探测器441接收。

进一步可选的，所述通道214的激光出口位于所述反光斜面211的中心，所述反光斜面211的中心位于所述接收镜组43的中心线上。本实施例通过采用如此设置可以尽可能使激光器311发射的激光照射到目标物后，由目标物反射回来的激光束能全部被反光斜面211反射，且反光斜面211反射的激光能全部照射到接收镜组43上，最终由接收镜组43全部汇集在探测器441上被探测器441接收，从而减少从目标物处反射回来的激光损耗，对目标物实现更精准的扫描和探测。

进一步可选的，同轴激光雷达包括底座6，透光区11位于上盖12和底座6之间，本实施例的同轴激光雷达还包括旋转电机22，旋转电机22设置在底座6上，本实施例中旋转电机22可直接固定在底座6的上表面，或嵌设在底座6的内部，旋转电机22与反射扫描镜21的底部相连用来驱动反射扫描镜21旋转。如图1和图7所示，底座6内部安装旋转电机22、电路板等部件，旋转电机22与反射扫描镜21之间安装固定板23，固定板23上不同位置放置不同重量的配重件，用于实现动平衡。反射扫描镜21的底面213的中心开设有安装孔2131，安装孔2131为盲孔，安装孔2131内安装上旋转电机22的机械轴承，且采用过盈配合方式进行安装。

旋转电机22驱动反射扫描镜21旋转，此时激光发射模块跟随反射扫描镜21绕旋转电机22的轴承旋转，同时由于激光接收模块与激光发射模块分开并位于反光斜面211的上方，且激光接收模块固定在上盖12的顶部，无论激光发射模块旋转至任何方位上，发射端出射的光斑形状不发生变化，因此在旋转电机22匀速旋转下激光雷达获取的点云数据的间隔一样。

进一步可选的，透光区11为具有一定锥度的环形结构，透光区11与上盖12相连的一端的直径小于透光区11与底座6相连的一端的直径。

具体的，透光区11位于上盖12与底座6之间，透光区11为带有一定锥度的环形结构，透光区11上端的直径小于透光区11下端的直径，底座6有安装透光区11的沟槽，并使用环氧树脂胶水将透光区11的下端固定到底座6的沟槽内；上盖12与透光区11接触面为平面且尺寸相同，使用环氧树脂胶水固定上盖12与透光区11接触面。

本实施例的激光雷达解决了激光扫描的盲区问题，旋转扫描的角度分辨率一致，不存在各点云数据的间隔不一样；加工制造成本不高，系统结构紧凑、体积小，光路结构简单。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种同轴激光雷达，其特征在于，包括

壳体，所述壳体包括透光区，所述透光区为沿所述壳体的壳壁周向设置的环形窗屏；

激光反射模块，包括可旋转设置的反射扫描镜，所述反射扫描镜包括反光斜面，所述反射扫描镜至少所述反光斜面位于所述透光区内；

激光发射模块，位于所述透光区内，与所述反射扫描镜相连，使所述反射扫描镜旋转可带动所述激光发射模块对目标物实施旋转扫描；

激光接收模块，位于所述反光斜面的上方；

旋转扫描过程中，所述激光发射模块发射的激光经所述透光区射出所述壳体后照射到目标物上，由目标物反射的激光经所述透光区射入所述壳体内经所述反光斜面反射后被所述激光接收模块接收。

2.根据权利要求1所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述反射扫描镜包括一底面和与所述底面相连的侧面，所述反光斜面分别与所述底面和所述侧面相连；

所述反射扫描镜的内部开设一横向的通道，所述通道将所述侧面与所述反光斜面连通，所述激光发射模块包括激光发射单元和激光发射镜组，所述激光发射单元设置在所述侧面上且使其发射的激光射入所述通道内；所述激光发射镜组位于所述通道内，或位于所述通道在所述反光斜面一侧的延长线上；所述激光发射单元发射的激光射入所述通道由所述激光发射镜组整形成平行光后经所述透光区射出。

3.根据权利要求2所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元包括发射板和激光器，所述发射板装配在所述侧面上，所述激光器设置在所述发射板上并伸入所述通道内。

4.根据权利要求3所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述同轴激光雷达还包括与所述通道相连通的导光筒，所述导光筒的一端位于所述通道内，另一端从所述反光斜面的一侧延伸至所述透光区且与所述透光区保持一定间隙，所述激光发射镜组位于所述导光筒内。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述壳体包括具有一凹腔的上盖，所述上盖罩设在所述透光区上，所述激光接收模块位于所述上盖内并设置在所述上盖的顶部。

6.根据权利要求5所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述激光接收模块包括激光接收单元、接收镜组、接收镜架和接收镜筒，所述接收镜架固定在所述上盖的顶部，所述接收镜筒的一端与所述接收镜架相连，所述接收镜组安装在所述接收镜筒的另一端，所述激光接收单元设置在所述接收镜架上且与所述接收镜组对应设置；

所述反光斜面反射的激光照射至所述接收镜组上进行整形，整形后的激光汇集至所述激光接收单元被所述激光接收单元接收。

7.根据权利要求6所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述激光接收单元包括接收板和探测器，所述接收板设置在所述接收镜架上，所述探测器设置在所述接收板上且位于所述接收镜组的中心线上，经所述接收镜组整形后的激光汇集至所述探测器上被所述探测器接收。

8.根据权利要求7所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述通道的激光出口位于所述反光斜面的中心，所述反光斜面的中心位于所述接收镜组的中心线上。

9.根据权利要求7或8所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述接收镜筒与所述接收镜架螺纹连接，其中所述接收镜架与所述接收镜筒相连的一端设有外螺纹/内螺纹，相对应的，所述镜筒与所述接收镜架相连的一端设有内螺纹/外螺纹。

10.根据权利要求1所述的一种同轴激光雷达，其特征在于，所述同轴激光雷达包括底座，所述透光区位于所述上盖和所述底座之间，所述同轴激光雷达还包括旋转电机，所述旋转电机设置在所述底座上与所述反射扫描镜的底部相连用来驱动所述反射扫描镜旋转。

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