CN214795179U - 反射镜式扫描装置及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请适用于激光扫描技术领域，提供一种反射镜式扫描装置及激光雷达，包括：激光发射单元；探测接收单元，与激光发射单元间隔分布；反射镜单元，包括聚光反射镜和设于聚光反射镜中部的准直反射镜，聚光反射镜和准直反射镜的反射面均为曲面；准直反射镜相对激光发射单元的光轴倾斜设置，以将激光发射单元发射的第一光束准直反射至目标区域；聚光反射镜相对探测接收单元的光轴倾斜设置，以将从目标区域反射回的第二光束反射聚焦至探测接收单元。本实施例中，减少了光学零件的数量，简化了结构，降低了激光雷达的成本；并且，准直、聚光效果更好，且结构更加简单、轻巧。

Description

反射镜式扫描装置及激光雷达

技术领域

本申请属于激光扫描技术领域，更具体地说，是涉及一种反射镜式扫描装置及激光雷达。

背景技术

为了确保移动安全，工业机器人等智能移动设备上都需要配备激光雷达，激光雷达作为避障的传感器，能够识别障碍物的位置。

目前，市场上通常使用的激光雷达是能够360°旋转的同轴式的单线激光雷达，该激光雷达的工作原理为：激光雷达设置在电机上，电机在水平方向上360°旋转；激光雷达的激光发射单元发出脉冲激光，激光雷达利用准直器件将脉冲激光准直，准直后得到的激光束和电机一起旋转，从而把激光束发射到障碍物表面，并产生回波光信号；然后，用聚光器件将回波光信号收集到探测接收单元上，探测接收单元将光信号转化为脉冲电信号。最后，根据电机旋转的角度和脉冲电信号获取飞行时间，计算距离和方位等信息。

一般的，激光雷达中采用的是折反射式光学系统。目前的准直器件通过一个或一组准直透镜组合形成，并且，激光发射单元发出的脉冲激光经过准直透镜的折射作用后，准直后得到的激光束还需经过平面式反光镜的反射后才能出射至障碍物表面，相应的，聚光器件也采用一个或一组聚光透镜组合形成。其中，透镜存在成像差，准直效果不好，以及聚光焦点弥散斑较大的缺陷；并且，激光雷达的光路中使用了至少两个透镜和一个反光镜，整体结构较复杂，且成本较高。

实用新型内容

本申请实施例的目的之一在于：提供一种反射镜式扫描装置，旨在解决现有技术中，激光雷达的结构复杂和成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例采用的技术方案是：

提供了一种反射镜式扫描装置，包括：

激光发射单元；

探测接收单元，与所述激光发射单元间隔分布；

反射镜单元，包括聚光反射镜和设于所述聚光反射镜中部的准直反射镜，所述聚光反射镜和所述准直反射镜的反射面均为曲面；所述准直反射镜相对所述激光发射单元的光轴倾斜设置，以将所述激光发射单元发射的第一光束准直反射至目标区域；所述聚光反射镜相对所述探测接收单元的光轴倾斜设置，以将从所述目标区域反射回的第二光束反射聚焦至所述探测接收单元。

在一个实施例中，所述聚光反射镜和所述准直反射镜均能够绕转轴线旋转，所述激光发射单元的光轴、所述探测接收单元的光轴以及所述转轴线重合设置。

在一个实施例中，所述激光发射单元和所述探测接收单元设于所述聚光反射镜的相同侧，且所述聚光反射镜的光轴和所述准直反射镜的光轴重合；

或者，所述激光发射单元和所述探测接收单元设于所述聚光反射镜的不同侧，且所述聚光反射镜的光轴垂直于所述准直反射镜的光轴。

在一个实施例中，所述聚光反射镜和所述准直反射镜为一体连接结构，或者，所述聚光反射镜和所述准直反射镜分体设置。

在一个实施例中，所述聚光反射镜和所述准直反射镜均包括透明基板和反射膜，所述反射膜设于所述透明基板上，并用于起反射作用。

本申请实施例的目的之一还在于：提供一种激光雷达，包括旋转单元和所述反射镜式扫描装置，所述旋转单元能够带动所述聚光反射镜和所述准直反射镜绕所述转轴线旋转。

在一个实施例中，所述激光雷达包括遮光筒，所述遮光筒围设于所述准直反射镜的外周且连接于所述旋转单元；所述遮光筒上开设有沿所述转轴线方向延伸至所述准直反射镜的第一光通道，所述激光发射单元容纳于所述第一光通道内。

在一个实施例中，所述遮光筒还开设有与所述第一光通道连通的第二光通道，所述第二光通道分别延伸至所述准直反射镜及所述遮光筒外部。

在一个实施例中，所述激光发射单元和所述探测接收单元之间设有遮光光阑，所述遮光光阑沿所述转轴线贯通设置且围设于所述探测接收单元的外周。

在一个实施例中，所述激光雷达还包括光学外罩，所述光学外罩罩设于所述激光发射单元、所述探测接收单元、所述聚光反射镜以及所述准直反射镜。

本申请实施例提供的反射镜式扫描装置及激光雷达的有益效果在于：与现有技术相比，本申请中，准直反射镜相对于激光发射单元的光轴倾斜，则能够将激光发射单元发射的第一光束准直反射至目标区域，聚光反射镜相对于探测接收单元的光轴倾斜，则能够将目标区域反射回的第二光束反射聚焦至探测接收单元，因此，本实施例中，仅使用了反射镜即可实现第一光束和第二光束的反射，减少了光学零件的数量和种类，且准直反射镜设于聚光反射镜的中部，简化了反射镜式扫描装置的整体结构，降低了激光雷达的成本；并且，相较于折反射式光学系统，本实施例中采用反射镜的设计，使得光束的准直、聚光效果受材料的影响较小，则聚光反射镜、准直反射镜的准直、聚光效果更好，且结构更加简单、轻巧。此外，聚光反射镜和准直反射镜的反射面均为曲面，有助于激光发射单元发射的第一光束在准直反射镜的作用下更加集中地准直、发射，相应的，也有助于探测接收单元更加聚焦地接收在聚光反射镜中作用下的第二光束。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一提供的反射镜式扫描装置的光路示意图；

图2为图1的反射镜单元的立体结构图；

图3为本申请实施例一提供的激光雷达的剖视图；

图4为本申请实施例二提供的反射镜式扫描装置的光路示意图；

图5为本申请实施例三提供的反射镜式扫描装置的光路示意图；

图6为本申请实施例四提供的反射镜式扫描装置的光路示意图。

其中，图中各附图标记：

10-反射镜式扫描装置；11-激光发射单元；12-探测接收单元；13-反射镜单元；131-聚光反射镜；132-准直反射镜；20-旋转单元；30-遮光筒；301-第一光通道；302-第二光通道；31-连接杆；40-遮光光阑；50-光学外罩；M-第一光束；N-第二光束；L-转轴线。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以下结合具体附图及实施例进行详细说明：

实施例一

请一并参阅图1及图2，本申请实施例提供的反射镜式扫描装置10包括激光发射单元11、探测接收单元12以及反射镜单元13。激光发射单元11用于向目标区域发射第一光束M，第一光束M在目标区域内发生反射后，以第二光束N的形式反射回来，以被探测接收单元12接收；其中，探测接收单元12接收的第二光束N为回波光信号，探测接收单元12与激光发射单元11间隔分布。

反射镜单元13包括聚光反射镜131和准直反射镜132，准直反射镜132设于聚光反射镜131的中部。准直反射镜132相对激光发射单元11的光轴倾斜设置，且准直反射镜132的反射面面向激光发射单元11设置，以将激光发射单元11发射的第一光束M准直反射至目标区域内；聚光反射镜131相对探测接收单元12的光轴倾斜设置，且聚光反射镜131的反射面面向探测接收单元12，以将从目标区域反射回的第二光束N反射聚焦至探测接收单元12。其中，第一光束M和第二光束N为特定波长的激光。如图1所示，在具体的扫描工作中，激光发射单元11发射出第一光束M，第一光束M经过准直反射镜132，并在准直反射镜132的反射作用下反射形成沿水平方向发射的平行光，以发射至目标区域内；然后，第一光束M在目标区域内发生反射作用并形成第二光束N，第二光束N以沿水平方向发射的平行光发射至聚光反射镜131，并在聚光反射镜131的反射作用下反射至探测接收单元12，从而被探测接收单元12接收；最后，通过处理、计算，获取测量距离。可以理解的，准直反射镜132用于将第一光束M准直形成平行光，聚光反射镜131用于将第二光束N聚焦于探测接收单元12。其中，第一光束M和第二光束N平行，激光发射单元11和探测接收单元12沿图1中的竖直方向间隔分布。

在具体的实施例中，聚光反射镜131的反射面和准直反射镜132的反射面均设置为曲面。可以理解的，准直反射镜132和聚光反射镜131可以设置为双曲面、非球面或自由曲面，并且，准直反射镜132和聚光反射镜131的尺寸也可以根据实际需求设计，此处不唯一限定。

此处需要说明的是，激光发射单元11可包含激光器、激光调制器和激光驱动电路等，用于发射第一光束M；探测接收单元12可包含光电探测器、处理器等，用于对接收第二光束N，并根据接收到的第二光束N计算飞行时间获取测量距离，此处不作限制。

本申请实施例中，准直反射镜132相对于激光发射单元11的光轴倾斜，则能够将激光发射单元11发射的第一光束M准直反射至目标区域，聚光反射镜131相对于探测接收单元12的光轴倾斜，则能够将目标区域反射回的第二光束N反射聚焦至探测接收单元12，因此，本实施例中，仅使用了反射镜即可实现第一光束M和第二光束N的反射，减少了光学零件的数量和种类，且准直反射镜132设于聚光反射镜131的中部，也即是准直反射镜132和聚光反射镜131设置在一起形成一个结构，如此简化了反射镜式扫描装置10的整体结构，降低了激光雷达的成本；并且，相较于折反射式光学系统，本实施例中采用反射镜的设计，使得光束的准直、聚光效果受材料的影响较小，则聚光反射镜131、准直反射镜132的准直、聚光效果更好，且结构更加简单、轻巧。此外，聚光反射镜131和准直反射镜132的反射面均为曲面，有助于激光发射单元11发射的第一光束M在准直反射镜132的作用下更加集中地准直、发射，相应的，也有助于探测接收单元12更加聚焦地接收在聚光反射镜131中作用下的第二光束N。

请参阅图1，在本实施例中，聚光反射镜131和准直反射镜132均能够绕转轴线L旋转，转轴线L沿竖直方向延伸设置；并且，激光发射单元11的光轴、探测接收单元12的光轴以及转轴线L重合设置。如此，工作时，准直反射镜132绕转轴线L360°旋转，并在旋转时准直激光发射单元11发射的第一光束M，以使得第一光束M能够沿水平方向发射至目标区域；相应的，聚光反射镜131绕转轴线L360°旋转，并在绕转轴线L旋转时将水平方向上的第二光束N聚焦至探测接收单元12中；如此，实现了反射镜式扫描装置10的360°扫描工作。其中，为保证准直反射镜132和聚光反射镜131在旋转过程中的正常反射效果，转轴线L穿过准直反射镜132和聚光反射镜131的中点。

在具体的实施例中，准直反射镜132的曲率大于聚光反射镜131的曲率，如此，使得准直反射镜132能够接收更多从激光发射单元11发射的第一光束M，并将其准直反射至目标区域；其中，激光发射单元11和准直反射镜132中点的竖直距离小于探测接收单元12和聚光反射镜131中点的竖直距离，从而避免第一光束M和第二光束N的干涉。

请参阅图1，在本实施例中，激光发射单元11和探测接收单元12设于聚光反射镜131的相同侧，相应的，激光发射单元11和探测接收单元12设于准直反射镜132的相同侧，并且，聚光反射镜131的光轴和准直反射镜132的光轴重合设置；如此，激光发射单元11发射的第一光束M能够在准直反射镜132的反射作用下准直为平行光并发射出去，且第二光束N在聚光反射镜131的反射作用下聚焦反射至探测接收单元12，且第二光束N在聚焦反射至探测接收单元12时围设于第一光束M的外周，避免第一光束M和第二光束N产生干涉。

请一并参阅图1及图2，在本实施例中，聚光反射镜131和准直反射镜132为一体连接结构，也即是反射镜单元13为一体成型结构，简化反射镜单元13的结构，提高加工效率。

在本实施例中，聚光反射镜131和准直反射镜132均包括透明基板和反射膜，反射膜设于透明基板上，并用于起反射作用，反射膜能够分别反射第一光束M和第二光束N，从而分别实现聚光反射镜131和准直反射镜132的聚光和准直效果。其中，反射膜可以设置为高反膜(High-Reflection，也可以称为HR膜)，高反膜可以是一层至多层，根据激光发射单元11发射的第一光束M的激光波长及具体的需要而定，多层高反膜的设置能够减少光学器件的反射损失，提高光通量；并且，基板的材料可用玻璃、金属或塑料，此处不作限制。

请参阅图3，本实施例还提供了一种激光雷达，包括旋转单元20和反射镜式扫描装置10，旋转单元20能够带动聚光反射镜131和准直反射镜132绕转轴线L旋转，且激光发射单元11的光轴、探测接收单元12的光轴以及转轴线L重合设置。其中，本实施例中的反射镜式扫描装置10与上述实施例中的反射镜式扫描装置10相同，具体请参阅上述实施例中反射镜式扫描装置10的相关描述，此处不赘述。

应当理解的是，旋转单元20带动聚光反射镜131和准直反射镜132绕转轴线L旋转时，聚光反射镜131和准直反射镜132是同时绕转轴线L360°旋转的，即，旋转单元20工作时，激光发射单元11向准直反射镜132发射第一光束M，第一光束M在准直反射镜132的反射作用下准直为平行光，并沿水平方向发射至不同方位的目标区域；然后，第一光束M在目标区域内发生反射以形成第二光束N，360°范围内的第二光束N沿水平方向反射至聚光反射镜131，并在聚光反射镜131的反射作用下聚焦至探测接收单元12，与此同时，聚光反射镜131也绕旋转轴360°转动。

请参阅图3，在本实施例中，激光雷达包括遮光筒30，遮光筒30围设于准直反射镜132的外周且连接于旋转单元20。遮光筒30上开设有第一光通道301，第一光通道301沿转轴线L方向延伸设置，并分别延伸至准直反射镜132和激光发射单元11，激光发射单元11容纳于第一光通道301内。其中，第一光通道301沿激光发射单元11的光轴方向延伸设置。第一光通道301的设置，使得激光发射单元11发射的第一光束M通过第一光通道301而发射至准直反射镜132上，减少了激光发射单元11的杂散光线发射至聚光反射镜131上而影响测量结果的准确性。在具体的工作中，旋转单元20工作时，聚光反射镜131和准直反射镜132同时绕转轴线L旋转，此时遮光筒30也同时绕转轴线L旋转，保证了聚光反射镜131和准直反射镜132的工作。

其中，遮光筒30上设有连接杆31，连接杆31设于准直反射镜132的外周并连接于旋转单元20，则旋转单元20在工作时能够通过连接杆31而带动整个遮光筒30旋转。

请参阅图3，在本实施例中，遮光筒30还开设有第二光通道302，第二光通道302与第一光通道301连通，且第二光通道302分别延伸至准直反射镜132及遮光筒30的外部。如此，激光发射单元11发射的第一光束M经过第一光通道301发射至准直反射镜132上，并在准直反射镜132的反射作用下经过第二光通道302并发射至外部。此处需要说明的是，第一光通道301和第二光通道302的设置，减少了激光发射单元11发射产生的杂散光线对聚光反射镜131的影响，保证了探测接收单元12接收的第二光束N中没有参杂第一光束M，提高了激光雷达测量的稳定性和准确性。

其中，本实施例中，第一光通道301沿竖直方向延伸，第二光通道302沿水平方向延伸，则遮光筒30为“L”形结构。

请参阅图3，在本实施例中，激光发射单元11和探测接收单元12之间设有遮光光阑40，遮光光阑40沿转轴线L贯通设置，且遮光光阑40围设于探测接收单元12的外周，如此，减少了杂散光线对探测接收单元12的影响，进一步确保了测量距离的精确度。

请参阅图3，在本实施例中，激光雷达还包括光学外罩50，光学外罩50罩设于激光发射单元11、探测接收单元12、聚光反射镜131以及准直反射镜132。其中，光学外罩50能够通过特定波长的激光，则经过准直反射镜132准直后的第一光束M能够通过光学外罩50发射至外部，第二光束N能够通过光线外罩而发射至聚光反射镜131，并且，光线外罩能够防止外界其他光线的进入，如此防止环境中的其他光线影响激光雷达的测量准确性。

其中，光学外罩50上设有光学薄膜，光学避免能够将激光发射单元11发射的第一光束M外的杂光滤除，并增强光透过率，提供系统信噪比。需要说明的是，光学外罩50还可以起到防尘、防水等作用，此处不作限制。

实施例二

请参阅图4，本实施例与实施例一的区别在于：聚光反射镜131的光轴垂直于准直反射镜132的光轴，且激光发射单元11和探测接收单元12设于聚光反射镜131的不同侧，相应的，激光发射单元11和探测接收单元12设于准直反射镜132的不同侧。准直反射镜132相对于激光发射单元11的光轴倾斜设置，且准直反射镜132的反射面面向激光发射单元11，保证准直反射镜132将激光发射单元11发射的第一光束M准直为平行光；聚光反射镜131相对于探测接收单元12的光轴倾斜设置，且聚光反射镜131的发射面面向探测接收单元12，保证聚光反射镜131将第二光束N聚焦至探测接收单元12。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

实施例三

请参阅图5，本实施例与实施例一的区别在于：聚光反射镜131和准直反射镜132分体设置，也即是，准直反射镜132嵌设于聚光反射镜131内，且与聚光反射镜131相互独立，能够便于第一光束M和第二光束N的光路设置，从而适应不同结构的要求。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

实施例四

请参阅图6，本实施例与实施例二的区别在于：聚光反射镜131和准直反射镜132分体设置，也即是，准直反射镜132嵌设于聚光反射镜131内，且与聚光反射镜131相互独立，能够便于第一光束M和第二光束N的光路设置，从而适应不同结构的要求。

本实施例的其余部分与实施例二相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例二的解释，这里不再进行赘述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射镜式扫描装置，其特征在于，包括：

激光发射单元；

探测接收单元，与所述激光发射单元间隔分布；

反射镜单元，包括聚光反射镜和设于所述聚光反射镜中部的准直反射镜，所述聚光反射镜和所述准直反射镜的反射面均为曲面；所述准直反射镜相对所述激光发射单元的光轴倾斜设置，以将所述激光发射单元发射的第一光束准直反射至目标区域；所述聚光反射镜相对所述探测接收单元的光轴倾斜设置，以将从所述目标区域反射回的第二光束反射聚焦至所述探测接收单元。

2.如权利要求1所述的反射镜式扫描装置，其特征在于，所述聚光反射镜和所述准直反射镜均能够绕转轴线旋转，所述激光发射单元的光轴、所述探测接收单元的光轴以及所述转轴线重合设置。

3.如权利要求1或2所述的反射镜式扫描装置，其特征在于，所述激光发射单元和所述探测接收单元设于所述聚光反射镜的相同侧，且所述聚光反射镜的光轴和所述准直反射镜的光轴重合；

或者，所述激光发射单元和所述探测接收单元设于所述聚光反射镜的不同侧，且所述聚光反射镜的光轴垂直于所述准直反射镜的光轴。

4.如权利要求1或2所述的反射镜式扫描装置，其特征在于，所述聚光反射镜和所述准直反射镜为一体连接结构，或者，所述聚光反射镜和所述准直反射镜分体设置。

5.如权利要求1或2所述的反射镜式扫描装置，其特征在于，所述聚光反射镜和所述准直反射镜均包括透明基板和反射膜，所述反射膜设于所述透明基板上，并用于起反射作用。

6.一种激光雷达，其特征在于，包括旋转单元和如权利要求2所述的反射镜式扫描装置，所述旋转单元能够带动所述聚光反射镜和所述准直反射镜绕所述转轴线旋转。

7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括遮光筒，所述遮光筒围设于所述准直反射镜的外周且连接于所述旋转单元；所述遮光筒上开设有沿所述转轴线方向延伸至所述准直反射镜的第一光通道，所述激光发射单元容纳于所述第一光通道内。

8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述遮光筒还开设有与所述第一光通道连通的第二光通道，所述第二光通道分别延伸至所述准直反射镜及所述遮光筒外部。

9.如权利要求6-8任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元和所述探测接收单元之间设有遮光光阑，所述遮光光阑沿所述转轴线贯通设置且围设于所述探测接收单元的外周。

10.如权利要求6-8任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括光学外罩，所述光学外罩罩设于所述激光发射单元、所述探测接收单元、所述聚光反射镜以及所述准直反射镜。

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