一种光学扫描传感器的制作方法

本发明涉及一种光学扫描传感器。

背景技术：

测距型光学扫描传感器(一般称之为测距型激光雷达，lidar)需要以固定的扫描频率(例如25hz)完成对使用环境的一个或多个特定空间截面(平面截面或锥面截面)上的距离测量。

目前大多数的光学扫描传感器都无法做到360°扫描，限定了其在全景扫描中的应用。另外，有效提高光学扫描传感器在低安装高度条件下的探测能力对于某些应用场景也很重要。例如对高出铁路钢轨轨面的异物进行探测时，需要尽可能降低光学扫描传感器的安装高度，以便发现所有高出轨面特定高度的目标。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种能够实现360°扫描的光学扫描传感器，从而提高激光雷达的可用性。通过在光偏转单元外围安装透光片，可以实现360°全景扫描。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描传感器，通过在光偏转单元外围安装透光片，提高透过光的光功率密度，在发射光透过透光片后的扫描范围内提高实际有效量程，提高低安装高度条件下的探测能力。

基于上述目的，本发明提供一种光学扫描传感器，包括：

光发射单元(10-2)，发出发射光；

光接收单元(10-1)，接收由目标区域反射的光；

光偏转单元，将发射光偏转并引向目标区域以及将目标区域反射的光偏转并引向光接收单元；

旋转驱动单元(1-1)，驱动光偏转单元旋转；

角度编码器，记录光偏转单元角度信息；

防护罩(12)；

其特征在于：还包括至少一个透光片(3)，所述透光片(3)透过发射光及目标区域反射的光，厚度一致，沿周向安装于光偏转单元外围和防护罩(12)之间，其内外表面均为柱面或均为锥面，水平截面为扇环或圆环，所述扇环或圆环的圆心位于光偏转单元的旋转轴上；所述光偏转单元的旋转轴与光发射单元(10-2)的光轴、光接收单元(10-1)的光轴重合。

本发明中，“扇环”是圆环被扇形截得的一部分。

本发明中，“柱面”指圆柱的侧面，或圆柱侧面的一部分。“圆柱侧面的一部分”指圆柱的侧面经垂直于圆柱底面的平面截得的侧面部分。

本发明中，“锥面”是指圆台的侧面，或圆台侧面的一部分。“圆台侧面的一部分”指圆台的侧面经垂直于圆台底面的平面截得的侧面部分。

本发明中，“圆台”指圆锥经一个平行于底面的平面截得的底面与截面之间的部分。

本发明中，“周向”指圆周方向。

优选地，所述光发射单元(10-2)采用发射透镜组或发射透镜；所述光接收单元(10-1)采用接收透镜组或接收透镜。

优选地，所述光发射单元(10-2)和光接收单元(10-1)为收发同轴光学系统。

优选地，所述光偏转单元包括反射镜(6)和反射镜支撑结构(5)。

优选地，所述旋转驱动单元(1-1)通过带动反射镜支撑结构(5)从而带动反射镜(6)旋转。

所述旋转驱动单元可以为任何形式的动力供给装置，优选为电机，更优选地，为轴式电机或者中空电机。

优选地，所述透光片(3)包括两个侧立面(7)，所述侧立面与光偏转单元的旋转轴共平面。本发明中，“共平面”指侧立面所在平面与光偏转单元的旋转轴所在平面是同一个平面。

优选地，所述透光片的至少一个侧立面表面排布有电缆线(18)。

优选地，所述电缆线为径向排布。

所述径向是指其水平延长线指向光偏转单元的旋转轴。

优选地，所述电缆线厚度不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米。

所述电缆线包括旋转驱动单元的电源线，或角度编码器的通信线，或旋转驱动单元的电源线和角度编码器的通信线。

优选地，两个或两个以上所述透光片以光偏转单元的旋转轴为中心轴拼接成有至少一个缝隙的中空圆柱形或中空圆台形的透光片组，所述缝隙由两个相对的侧立面构成、宽度不超过0.5毫米，优选地，宽度不超过0.2毫米。更优选地，所述缝隙宽度与电缆线厚度相同

优选地，所述透光片(3)为有一个缝隙的中空圆柱或中空圆台，所述缝隙由两个相对的侧立面(7)构成、宽度不超过0.5毫米，优选地，宽度不超过0.2毫米。更优选地，所述缝隙宽度与电缆线厚度相同。

优选地，所述透光片(3)为部分圆柱或部分圆台，所述部分圆柱或部分圆台指中空圆柱或中空圆台经垂直于底面的平面截得的一部分。

优选地，所述透光片(3)为一个侧表面封闭的中空圆柱或中空圆台。

优选地，所述透光片由高透过率材料制成。更优选地，为k9玻璃。

所述高透过率材料指对发射光波长的透过率不低于90％的透光材料。更优选地，透过率不低于92％。

优选地，所述透光片内外表面镀有增透膜。优选地，所述增透膜对发射光波长的透过率至少增加1％，更优选地，透过率至少增加2％。

优选地，所述透光片的厚度d、在发射光扫描平面上的内径r与光发射单元发出的发射光的原始最大发散角α、发射光透过透光片形成的光斑的水平发散角θ之间，在一级近似的条件下存在下述关系：

θ＝(1+k)α

k＝(1-1/n)dl/(r(r+d))

其中α不超过10毫弧度，k为θ相对于α的放大倍数，l为是光发射单元最大发散角光路等效出光点到光偏转单元的旋转轴的轴向距离，n为透光片材料的折射率。

所述“一级近似”指k值与(1-1/n)dl/(r(r+d))相差不超过10％。

本发明中“水平发散角”的“水平”指与旋转轴垂直的平面方向；“垂直发散角”的“垂直”指在特定旋转角度下通过旋转轴的平面方向；“发射光扫描平面”指发射光光轴经光偏转单元偏转后进行扫描的平面。

优选地，所述光发射单元(10-2)与光接收单元(10-1)位于光偏转单元的一侧，所述旋转驱动单元(1-1)位于光偏转单元的另一侧，所述透光片为所述旋转驱动单元的支撑结构或支撑结构的一部分。

本发明提供一种光学扫描传感器，包括：光接收单元(10-1)，光发射单元(10-2)，电机(1-1)，角度编码器，防护罩(12)，光偏转单元，基础支撑结构(8)，光发射接收支持机构(9)，旋转驱动单元支撑面(2)，旋转轴(1-2)，还包括至少一个透光片(3)，透光片底座(4)，其中，光偏转单元包括反射镜支撑机构(5)和反射镜(6)；光偏转单元外围与防护罩(12)之间沿周向安装有透光片(3)，所述透光片(3)两端分别与旋旋转驱动单元支撑面(2)和透光片底座(4)连接；所述透光片内外表面均为柱面或均为锥面，水平截面为扇环或圆环，所述扇环或圆环的圆心位于旋转轴(1-2)所在的直线上；所述透光片底座(4)与基础支撑结构(8)连接，所述旋转轴(1-2)与反射镜支撑结构(5)连接，所述旋转轴(1-2)与光发射单元(10-2)的光轴、光接收单元(10-1)的光轴重合。

附图说明

图1为具有中空圆柱形透光片组的光学扫描传感器的示意图。

图2为具有中空圆柱形透光片组的光学扫描传感器的俯视图。

图3为具有部分圆柱透光片的光学扫描传感器的示意图。

图4为具有部分圆柱透光片的光学扫描传感器的俯视图。

图5为透光片侧立面排布有电缆线的示意图。

图6为具有侧表面封闭的中空圆柱透光片的光学扫描传感器的示意图。

图7为透光片的变形设计。

图8为具有透光片的光学扫描传感器的等效发射光路图(俯视图)。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

在本发明的一个实施例中提供一种具有中空圆柱形透光片组的光学扫描传感器(图1-图2)。如图1所示，一种光学扫描传感器，包括电机1-1，旋转轴1-2，旋转驱动单元支撑面2，透光片组3-1、3-2，透光片底座4，反射镜支撑机构5，反射镜6，基础支撑结构8，激光发射接收透镜组支持机构9，接收透镜10-1，发射透镜10-2，防护罩12。其中接收透镜10-1与发射透镜10-2置于激光发射接收透镜组支持机构9内，集成在反射镜6的一侧。接收透镜10-1的光轴、发射透镜10-2的光轴，与反射镜6的旋转轴重合。透光片组3-1、3-2安装于反射镜6的外围，其两端分别与透光片底座4和旋转驱动单元支撑面2连接，透光片底座4安装于基础支撑结构8上，旋转驱动单元支撑面2与旋转驱动单元1-1连接。反射镜6通过反射镜支撑结构5与旋转轴1-2连接，旋转轴1-2在电机1-1的驱动下转动，从而带动发射镜支撑结构5和反射镜6绕旋转轴1-2旋转，反射镜6将发射光偏转并引向目标区域以及将目标区域反射的光偏转并引向接收透镜10-1。当反射镜6将发射光偏转至透光片时，发射光可以通过透光片到达目标区域，目标区域的反射光可以通过透光片并经反射镜6偏转进入接收透镜10-1，透光片对光路的影响是各向同性的。光学扫描传感器外部罩有防护罩12。透光片组3-1、3-2为至少含有一个缝隙的中空圆柱形结构，由两个形状一样的半圆柱形透光片3-1和3-2构成，其中心轴与旋转轴1-2、接收透镜10-1的光轴、发射透镜10-2的光轴重合(图2)。透光片组3-1、3-2有四个与旋转轴1-2共平面的侧立面7，即旋转轴1-2在侧立面7所在的平面上。其中两个相对的侧立面7构成缝隙，缝隙宽度极小，不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米，其中至少一个侧立面7上径向排布有电缆线18，电缆线包括电机1-1的电源线、或角度编码器的通信线、或电源线和角度编码器的通信线。电缆线选用扁平电缆或透明电缆，厚度不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米。透光片由高透过率材料制成，为了增加透光率，可以其内外表面镀上增透膜。

在本发明的另外一个实施例中，提供一种具有部分圆柱透光片的光学扫描传感器(图3-图4)。在该实施例中，光学扫描器除透光片结构外，其他部件及部件连接方式与前一个实施例所述相同。如图3所示，透光片3是一个部分圆柱结构。透光片3的内外表面均为柱面，水平截面为扇环(图4)，扇环的圆心位于旋转轴1-2所在的直线上。透光片3有两个与旋转轴1-2共平面的侧立面7，即旋转轴1-2在侧立面7所在的平面上，其中至少一个侧立面7上排布有前一个实施例中所描述的电缆线18，如图5所示。透光片3由高透过率材料制成，为了增加透光率，可以在其内外表面镀上增透膜。

在本发明的另外一个实施例中，提供一种具有中空圆柱透光片的光学扫描传感器，如图6所示，电机1-5为中空电机，光接收透镜10-1与光发射透镜10-2置于中空电机通孔内部，反射镜6通过反射镜支撑机构5与电机连接，接收透镜10-1的光轴、发射透镜10-2的光轴、反射镜6的旋转轴三轴重合。光学扫描传感器外部罩有防护罩12(图略)。透光片3安装于反射镜6的外围，为一侧表面封闭的中空圆柱，即不含有侧立面。透光片3的中轴线与接收透镜10-1的光轴、发射透镜10-2的光轴、反射镜6的旋转轴重合。透光片并不作为电机的支撑结构或支撑结构的一部分。该实施例中，透光片3也可以是侧表面封闭的中空圆台结构。

在本发明的另外一个实施例中，提供一种如图1所示光学扫描传感器的变形设计，电机1-1可以与防护罩悬挂连接(图略)，此种情况下，透光片3的下端与透光片底座4连接，上端不与电机1-1连接，即透光片不作为电机的支撑结构或支撑结构一部分。在该实施例中，透光片3的至少一个侧立面7上排布有电缆线18。

前述任一实施例中的光学扫描传感器都可以实现360°扫描。当发射光透过透光片3时，形成的光斑的水平发散角会放大，而垂直发散角保持不变，即形成扁平光斑。如图8所示，o为光偏转单元的旋转轴与45°反射镜6的交点，当发射光15透过透光片内壁31、外壁32时，其形成的扁平光斑在水平方向上的实际发散角θ比光发射单元发出的发射光的原始最大发散角α增大k倍，θ＝(1+k)α，由于α值非常小，一般为几个毫弧度，不超过10毫弧度，在一级近似条件下，水平方向上发散角的放大倍数k值可以通过下述公式进行计算：

k＝(1-1/n)dl/(r(r+d))

其中l为光发射单元10-2最大发散角光路等效出光点a到反射镜6的旋转轴的轴向距离，r为发射光扫描平面上的透光片的内径，d为透光片厚度，n为透光片材料的折射率。通过透光片参数的设计，可以控制水平方向上的发散角的放大倍数，实现在水平方向上的发散角扩大，在垂直方向上的发散角保持不变的扁平光斑。换言之，输出的扁平光斑的水平发散角和垂直发散角也决定了所用透光片的厚度及透光片在发射光扫描平面上的内径。

在某些特定的应用场合中，例如对高出铁路钢轨轨面的异物进行探测时，需要尽可能降低光学扫描传感器的安装高度，以便发现所有高出轨面特定高度的目标。由于光学方面的原因，光学扫描传感器发射的光斑除了在水平方向上需要有固定的发散角，来覆盖整个扫描平面外，在垂直方向上也有发散角，因此，探测的距离越远，激光光斑在垂直方向上向下伸展的距离就会越大，一旦延伸到地面或轨面就会被反射，在这个距离上测量到的目标距离就固定变成了此处地面或轨面的距离，无法发现更远的目标了。这就意味着，在这一类应用中，激光雷达的实际量程s是由激光光斑的垂直发散角α和安装高度h决定的，在α不超过10毫弧度时，在一级近似的情况下，s≈2h/α。因此，如果能够在保持光斑的水平发散角符合要求的前提下，缩小光斑的垂直发散角，也就是发射扁平光斑，既能够提高激光雷达的低高度探测能力，也能增大激光雷达的实际量程。

在实际扫描平面内保持扁平状的发射光斑有很多优点，例如，相对于安装平面(例如地面)，减小垂直发散角的同时保持水平发散角不变，激光雷达可以安放在更低的高度上，光束在较远的距离上不会因为扫到安装平面而导致实际量程下降。如果发射组件直接输出扁平光斑，在使用45°反射镜条件下，实际的扫描光斑是一个在扫描平面内“滚动”的扁平光斑，其形状朝向角在持续变化，无法达到预期的效果。采用透光片技术，可以解决这一问题，输出稳定的、不滚动的扁平光斑。

如果激光雷达实际需要的水平扫描发散角为θ，可以将发射准直光束的最大发散角设计为α，通过选择适当的光学结构参数(l，d，r，n)，使得k＝θ/α-1，圆形光斑经过透光片后，转变成水平发散角为θ，垂直发散角为α的扁平光斑。相对于不采用透光片、直接输出发散角为θ的圆形光斑，扁平光斑的能量密度为圆形光斑的θ/α倍，由此可知，系统的理论有效量程为圆形光斑系统的√(θ/α)倍，也就是说，可以增大量程。

例如，如果水平发散角要求为8mrad(0.5°角度扫描分辨率激光雷达)，可以将发射组件的发散角设计为2mrad，通过设计适当的透光片，可以输出8mradx2mrad的扁平光斑，与直接输出8mradx8mrad的圆形光斑系统相比，有效量程会增大一倍，而且由于垂直发散角从8mrad减小到2mrad，对于相同的测试量程可以安放在更低的高度上。

防护罩12的材料多选用树脂玻璃，其罩在光学扫描传感器外部，分隔传感器内部结构与外部环境，虽能透过发射光与目标区域反射的光，但其壳体厚度较小，通常厚度小于2毫米，且相对于光偏转单元的旋转轴的内径较大，几乎不能改变发散光的水平发散角，不能输出有效的扁平光斑。

本发明对防护罩的形状没有任何限定。

透光片的形状对扁平光斑的形成有重要作用，其水平截面是扇环或圆环，扇环或圆环的圆心位于光偏转单元的旋转轴上，内外表面为柱面或锥面。满足上述条件下，透光片可以有多种变形设计。

在本发明的另外一个实施例中，提供了一种透光片的变形设计，如图7-1所示，透光片3为有一个缝隙的中空圆柱结构。缝隙宽度极小，不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米，其由两个相对的侧立面7构成，其中至少一个侧立面7上排布有电缆线18(图略)。

在本发明的另外一个透光片变形设计的实施例中，如图7-2所示，透光片3可以是一个部分圆台结构，包括两个侧立面7，至少一个侧立面7上排布有电缆线18(图略)。

在本发明的另外一个透光片变形设计的实施例中，如图7-3所示，两个半圆台形透光片3-1、3-2可以构成有至少一个缝隙的中空圆台形透光片组，缝隙宽度不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米，由两个相对的侧立面7构成，至少一个侧立面7上排布电缆线18(图略)。

在本发明的另外一个透光片变形设计的实施例中，如图7-4所示，透光片3为有一个缝隙的中空圆台结构。缝隙宽度极小，不超过0.5毫米，优选地，不超过0.2毫米，其由两个相对的侧立面7构成，其中至少一个侧立面7上排布电缆线18(图略)。

上述透光片的变形设计只作为举例，本领域技术人员可以根据本发明披露的方案想到其他显而易见的变型结构。