一種光學掃描傳感器的制作方法

本實用新型涉及一種光學掃描傳感器。

背景技術：

測距型光學掃描傳感器(一般稱之為測距型激光雷達，Lidar)需要以固定的掃描頻率(例如25Hz)完成對使用環境的一個或多個特定空間截面(平面截面或錐面截面)上的距離測量。

目前大多數的光學掃描傳感器都無法做到360°掃描，限定了其在全景掃描中的應用。另外，有效提高光學掃描傳感器在低安裝高度條件下的探測能力對于某些應用場景也很重要。例如對高出鐵路鋼軌軌面的異物進行探測時，需要盡可能降低光學掃描傳感器的安裝高度，以便發現所有高出軌面特定高度的目標。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的在于提供一種能夠實現360°掃描的光學掃描傳感器，從而提高激光雷達的可用性。通過在光偏轉單元外圍安裝透光片，可以實現360°全景掃描。

本實用新型的另一目的在于提供一種光學掃描傳感器，通過在光偏轉單元外圍安裝透光片，提高透過光的光功率密度，在發射光透過透光片后的掃描范圍內提高實際有效量程，提高低安裝高度條件下的探測能力。

基于上述目的，本實用新型提供一種光學掃描傳感器，包括：

光發射單元(10-2)，發出發射光；

光接收單元(10-1)，接收由目標區域反射的光；

光偏轉單元，將發射光偏轉并引向目標區域以及將目標區域反射的光偏轉并引向光接收單元；

旋轉驅動單元(1-1)，驅動光偏轉單元旋轉；

角度編碼器，記錄光偏轉單元角度信息；

防護罩(12)；

其特征在于：還包括至少一個透光片(3)，所述透光片(3)透過發射光及目標區域反射的光，厚度一致，沿周向安裝于光偏轉單元外圍和防護罩(12)之間，其內外表面均為柱面或均為錐面，水平截面為扇環或圓環，所述扇環或圓環的圓心位于光偏轉單元的旋轉軸上；所述光偏轉單元的旋轉軸與光發射單元(10-2)的光軸、光接收單元(10-1)的光軸重合。

本實用新型中，“扇環”是圓環被扇形截得的一部分。

本實用新型中，“柱面”指圓柱的側面，或圓柱側面的一部分。“圓柱側面的一部分”指圓柱的側面經垂直于圓柱底面的平面截得的側面部分。

本實用新型中，“錐面”是指圓臺的側面，或圓臺側面的一部分。“圓臺側面的一部分”指圓臺的側面經垂直于圓臺底面的平面截得的側面部分。

本實用新型中，“圓臺”指圓錐經一個平行于底面的平面截得的底面與截面之間的部分。

本實用新型中，“周向”指圓周方向。

優選地，所述光發射單元(10-2)采用發射透鏡組或發射透鏡；所述光接收單元(10-1)采用接收透鏡組或接收透鏡。

優選地，所述光發射單元(10-2)和光接收單元(10-1)為收發同軸光學系統。

優選地，所述光偏轉單元包括反射鏡(6)和反射鏡支撐結構(5)。

優選地，所述旋轉驅動單元(1-1)通過帶動反射鏡支撐結構(5)從而帶動反射鏡(6)旋轉。所述旋轉驅動單元可以為任何形式的動力供給裝置，優選為電機，更優選地，為軸式電機或者中空電機。

優選地，所述透光片(3)包括兩個側立面(7)，所述側立面與光偏轉單元的旋轉軸共平面。本實用新型中，“共平面”指側立面所在平面與光偏轉單元的旋轉軸所在平面是同一個平面。

優選地，所述透光片的至少一個側立面表面排布有電纜線(18)。

優選地，所述電纜線為徑向排布。

所述徑向是指其水平延長線指向光偏轉單元的旋轉軸。

優選地，所述電纜線厚度不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米。

所述電纜線包括旋轉驅動單元的電源線，或角度編碼器的通信線，或旋轉驅動單元的電源線和角度編碼器的通信線。

優選地，兩個或兩個以上所述透光片以光偏轉單元的旋轉軸為中心軸拼接成有至少一個縫隙的中空圓柱形或中空圓臺形的透光片組，所述縫隙由兩個相對的側立面構成、寬度不超過0.5毫米，優選地，寬度不超過0.2毫米。更優選地，所述縫隙寬度與電纜線厚度相同

優選地，所述透光片(3)為有一個縫隙的中空圓柱或中空圓臺，所述縫隙由兩個相對的側立面(7)構成、寬度不超過0.5毫米，優選地，寬度不超過0.2毫米。更優選地，所述縫隙寬度與電纜線厚度相同。

優選地，所述透光片(3)為部分圓柱或部分圓臺，所述部分圓柱或部分圓臺指中空圓柱或中空圓臺經垂直于底面的平面截得的一部分。

優選地，所述透光片(3)為一個側表面封閉的中空圓柱或中空圓臺。

優選地，所述透光片由高透過率材料制成。更優選地，為K9玻璃。

所述高透過率材料指對發射光波長的透過率不低于90％的透光材料。更優選地，透過率不低于92％。

優選地，所述透光片內外表面鍍有增透膜。優選地，所述增透膜對發射光波長的透過率至少增加1％，更優選地，透過率至少增加2％。

優選地，所述透光片的厚度d、在發射光掃描平面上的內徑r與光發射單元發出的發射光的原始最大發散角α、發射光透過透光片形成的光斑的水平發散角θ之間，在一級近似的條件下存在下述關系：

θ＝(1+k)α

k＝(1-1/n)dl/(r(r+d))

其中α不超過10毫弧度，K為θ相對于α的放大倍數，l為是光發射單元最大發散角光路等效出光點到光偏轉單元的旋轉軸的軸向距離，n為透光片材料的折射率。

所述“一級近似”指k值與(1-1/n)dl/(r(r+d))相差不超過10％。

本實用新型中“水平發散角”的“水平”指與旋轉軸垂直的平面方向；“垂直發散角”的“垂直”指在特定旋轉角度下通過旋轉軸的平面方向；“發射光掃描平面”指發射光光軸經光偏轉單元偏轉后進行掃描的平面。

優選地，所述光發射單元(10-2)與光接收單元(10-1)位于光偏轉單元的一側，所述旋轉驅動單元(1-1)位于光偏轉單元的另一側，所述透光片為所述旋轉驅動單元的支撐結構或支撐結構的一部分。

本實用新型提供一種光學掃描傳感器，包括：光接收單元(10-1)，光發射單元(10-2)，電機(1-1)，角度編碼器，防護罩(12)，光偏轉單元，基礎支撐結構(8)，光發射接收支持機構(9)，旋轉驅動單元支撐面(2)，旋轉軸(1-2)，還包括至少一個透光片(3)，透光片底座(4)，其中，光偏轉單元包括反射鏡支撐機構(5)和反射鏡(6)；光偏轉單元外圍與防護罩(12)之間沿周向安裝有透光片(3)，所述透光片(3)兩端分別與旋旋轉驅動單元支撐面(2)和透光片底座(4)連接；所述透光片內外表面均為柱面或均為錐面，水平截面為扇環或圓環，所述扇環或圓環的圓心位于旋轉軸(1-2)所在的直線上；所述透光片底座(4)與基礎支撐結構(8)連接，所述旋轉軸(1-2)與反射鏡支撐結構(5)連接，所述旋轉軸(1-2)與光發射單元(10-2)的光軸、光接收單元(10-1)的光軸重合。

附圖說明

圖1為具有中空圓柱形透光片組的光學掃描傳感器的示意圖。

圖2為具有中空圓柱形透光片組的光學掃描傳感器的俯視圖。

圖3為具有部分圓柱透光片的光學掃描傳感器的示意圖。

圖4為具有部分圓柱透光片的光學掃描傳感器的俯視圖。

圖5為透光片側立面排布有電纜線的示意圖。

圖6為具有側表面封閉的中空圓柱透光片的光學掃描傳感器的示意圖。

圖7-1為透光片的一種變形設計結構。

圖7-2為透光片的一種變形設計結構。

圖7-3為透光片的一種變形設計結構。

圖7-4為透光片的一種變形設計結構。

圖8為具有透光片的光學掃描傳感器的等效發射光路圖(俯視圖)。

具體實施方式

以下描述用于揭露本實用新型以使本領域技術人員能夠實現本實用新型。以下描述中的優選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本實用新型的基本原理可以應用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本實用新型的精神和范圍的其他技術方案。

在本實用新型的一個實施例中提供一種具有中空圓柱形透光片組的光學掃描傳感器(圖1-圖2)。如圖1所示，一種光學掃描傳感器，包括電機1-1，旋轉軸1-2，旋轉驅動單元支撐面2，透光片組3-1、3-2，透光片底座4，反射鏡支撐機構5，反射鏡6，基礎支撐結構8，激光發射接收透鏡組支持機構9，接收透鏡10-1，發射透鏡10-2，防護罩12。其中接收透鏡10-1與發射透鏡10-2置于激光發射接收透鏡組支持機構9內，集成在反射鏡6的一側。接收透鏡10-1的光軸、發射透鏡10-2的光軸，與反射鏡6的旋轉軸重合。透光片組3-1、3-2安裝于反射鏡6的外圍，其兩端分別與透光片底座4和旋轉驅動單元支撐面2連接，透光片底座4安裝于基礎支撐結構8上，旋轉驅動單元支撐面2與旋轉驅動單元1-1連接。反射鏡6通過反射鏡支撐結構5與旋轉軸1-2連接，旋轉軸1-2在電機1-1的驅動下轉動，從而帶動發射鏡支撐結構5和反射鏡6繞旋轉軸1-2旋轉，反射鏡6將發射光偏轉并引向目標區域以及將目標區域反射的光偏轉并引向接收透鏡10-1。當反射鏡6將發射光偏轉至透光片時，發射光可以通過透光片到達目標區域，目標區域的反射光可以通過透光片并經反射鏡6偏轉進入接收透鏡10-1，透光片對光路的影響是各向同性的。光學掃描傳感器外部罩有防護罩12。透光片組3-1、3-2為至少含有一個縫隙的中空圓柱形結構，由兩個形狀一樣的半圓柱形透光片3-1和3-2構成，其中心軸與旋轉軸1-2、接收透鏡10-1的光軸、發射透鏡10-2的光軸重合(圖2)。透光片組3-1、3-2有四個與旋轉軸1-2共平面的側立面7，即旋轉軸1-2在側立面7所在的平面上。其中兩個相對的側立面7構成縫隙，縫隙寬度極小，不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米，其中至少一個側立面7上徑向排布有電纜線18，電纜線包括電機1-1的電源線、或角度編碼器的通信線、或電源線和角度編碼器的通信線。電纜線選用扁平電纜或透明電纜，厚度不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米。透光片由高透過率材料制成，為了增加透光率，可以其內外表面鍍上增透膜。

在本實用新型的另外一個實施例中，提供一種具有部分圓柱透光片的光學掃描傳感器(圖3-圖4)。在該實施例中，光學掃描器除透光片結構外，其他部件及部件連接方式與前一個實施例所述相同。如圖3所示，透光片3是一個部分圓柱結構。透光片3的內外表面均為柱面，水平截面為扇環(圖4)，扇環的圓心位于旋轉軸1-2所在的直線上。透光片3有兩個與旋轉軸1-2共平面的側立面7，即旋轉軸1-2在側立面7所在的平面上，其中至少一個側立面7上排布有前一個實施例中所描述的電纜線18，如圖5所示。透光片3由高透過率材料制成，為了增加透光率，可以在其內外表面鍍上增透膜。

在本實用新型的另外一個實施例中，提供一種具有中空圓柱透光片的光學掃描傳感器，如圖6所示，電機1-5為中空電機，光接收透鏡10-1與光發射透鏡10-2置于中空電機通孔內部，反射鏡6通過反射鏡支撐機構5與電機連接，接收透鏡10-1的光軸、發射透鏡10-2的光軸、反射鏡6的旋轉軸三軸重合。光學掃描傳感器外部罩有防護罩12(圖略)。透光片3安裝于反射鏡6的外圍，為一側表面封閉的中空圓柱，即不含有側立面。透光片3的中軸線與接收透鏡10-1的光軸、發射透鏡10-2的光軸、反射鏡6的旋轉軸重合。透光片并不作為電機的支撐結構或支撐結構的一部分。該實施例中，透光片3也可以是側表面封閉的中空圓臺結構。

在本實用新型的另外一個實施例中，提供一種如圖1所示光學掃描傳感器的變形設計，電機1-1可以與防護罩懸掛連接(圖略)，此種情況下，透光片3的下端與透光片底座4連接，上端不與電機1-1連接，即透光片不作為電機的支撐結構或支撐結構一部分。在該實施例中，透光片3的至少一個側立面7上排布有電纜線18。

前述任一實施例中的光學掃描傳感器都可以實現360°掃描。當發射光透過透光片3時，形成的光斑的水平發散角會放大，而垂直發散角保持不變，即形成扁平光斑。如圖8所示，O為光偏轉單元的旋轉軸與45°反射鏡6的交點，當發射光15透過透光片內壁31、外壁32時，其形成的扁平光斑在水平方向上的實際發散角θ比光發射單元發出的發射光的原始最大發散角α增大k倍，θ＝(1+k)α，由于α值非常小，一般為幾個毫弧度，不超過10毫弧度，在一級近似條件下，水平方向上發散角的放大倍數k值可以通過下述公式進行計算：

k＝(1-1/n)dl/(r(r+d))

其中l為光發射單元10-2最大發散角光路等效出光點A到反射鏡6的旋轉軸的軸向距離，r為發射光掃描平面上的透光片的內徑，d為透光片厚度，n為透光片材料的折射率。通過透光片參數的設計，可以控制水平方向上的發散角的放大倍數，實現在水平方向上的發散角擴大，在垂直方向上的發散角保持不變的扁平光斑。換言之，輸出的扁平光斑的水平發散角和垂直發散角也決定了所用透光片的厚度及透光片在發射光掃描平面上的內徑。

在某些特定的應用場合中，例如對高出鐵路鋼軌軌面的異物進行探測時，需要盡可能降低光學掃描傳感器的安裝高度，以便發現所有高出軌面特定高度的目標。由于光學方面的原因，光學掃描傳感器發射的光斑除了在水平方向上需要有固定的發散角，來覆蓋整個掃描平面外，在垂直方向上也有發散角，因此，探測的距離越遠，激光光斑在垂直方向上向下伸展的距離就會越大，一旦延伸到地面或軌面就會被反射，在這個距離上測量到的目標距離就固定變成了此處地面或軌面的距離，無法發現更遠的目標了。這就意味著，在這一類應用中，激光雷達的實際量程s是由激光光斑的垂直發散角α和安裝高度h決定的，在α不超過10毫弧度時，在一級近似的情況下，s≈2h/α。因此，如果能夠在保持光斑的水平發散角符合要求的前提下，縮小光斑的垂直發散角，也就是發射扁平光斑，既能夠提高激光雷達的低高度探測能力，也能增大激光雷達的實際量程。

在實際掃描平面內保持扁平狀的發射光斑有很多優點，例如，相對于安裝平面(例如地面)，減小垂直發散角的同時保持水平發散角不變，激光雷達可以安放在更低的高度上，光束在較遠的距離上不會因為掃到安裝平面而導致實際量程下降。如果發射組件直接輸出扁平光斑，在使用45°反射鏡條件下，實際的掃描光斑是一個在掃描平面內“滾動”的扁平光斑，其形狀朝向角在持續變化，無法達到預期的效果。采用透光片技術，可以解決這一問題，輸出穩定的、不滾動的扁平光斑。

如果激光雷達實際需要的水平掃描發散角為θ，可以將發射準直光束的最大發散角設計為α，通過選擇適當的光學結構參數(l，d，r，n)，使得k＝θ/α-1，圓形光斑經過透光片后，轉變成水平發散角為θ，垂直發散角為α的扁平光斑。相對于不采用透光片、直接輸出發散角為θ的圓形光斑，扁平光斑的能量密度為圓形光斑的θ/α倍，由此可知，系統的理論有效量程為圓形光斑系統的√(θ/α)倍，也就是說，可以增大量程。

例如，如果水平發散角要求為8mrad(0.5°角度掃描分辨率激光雷達)，可以將發射組件的發散角設計為2mrad，通過設計適當的透光片，可以輸出8mrad X 2mrad的扁平光斑，與直接輸出8mrad X 8mrad的圓形光斑系統相比，有效量程會增大一倍，而且由于垂直發散角從8mrad減小到2mrad，對于相同的測試量程可以安放在更低的高度上。

防護罩12的材料多選用樹脂玻璃，其罩在光學掃描傳感器外部，分隔傳感器內部結構與外部環境，雖能透過發射光與目標區域反射的光，但其殼體厚度較小，通常厚度小于2毫米，且相對于光偏轉單元的旋轉軸的內徑較大，幾乎不能改變發散光的水平發散角，不能輸出有效的扁平光斑。

本實用新型對防護罩的形狀沒有任何限定。

透光片的形狀對扁平光斑的形成有重要作用，其水平截面是扇環或圓環，扇環或圓環的圓心位于光偏轉單元的旋轉軸上，內外表面為柱面或錐面。滿足上述條件下，透光片可以有多種變形設計。

在本實用新型的另外一個實施例中，提供了一種透光片的變形設計，如圖7-1所示，透光片3為有一個縫隙的中空圓柱結構。縫隙寬度極小，不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米，其由兩個相對的側立面7構成，其中至少一個側立面7上排布有電纜線18(圖略)。

在本實用新型的另外一個透光片變形設計的實施例中，如圖7-2所示，透光片3可以是一個部分圓臺結構，包括兩個側立面7，至少一個側立面7上排布有電纜線18(圖略)。

在本實用新型的另外一個透光片變形設計的實施例中，如圖7-3所示，兩個半圓臺形透光片3-1、3-2可以構成有至少一個縫隙的中空圓臺形透光片組，縫隙寬度不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米，由兩個相對的側立面7構成，至少一個側立面7上排布電纜線18(圖略)。

在本實用新型的另外一個透光片變形設計的實施例中，如圖7-4所示，透光片3為有一個縫隙的中空圓臺結構。縫隙寬度極小，不超過0.5毫米，優選地，不超過0.2毫米，其由兩個相對的側立面7構成，其中至少一個側立面7上排布電纜線18(圖略)。

上述透光片的變形設計只作為舉例，本領域技術人員可以根據本實用新型披露的方案想到其他顯而易見的變型結構。