一种微型化激光脉冲测距扫描装置的制作方法

本申请涉及距离传感器，特别涉及一种微型化激光脉冲测距扫描装置。

背景技术：

随着国家智能装备产业的飞速发展，激光脉冲测距扫描装置作为具备探测周边情况的核心传感器，在工业控制领域得到广泛的推广和应用；与此同时，随着对智能装备整机小型化的要求越来越高，激光脉冲测距扫描装置微型化的需求也越来越明确。

传统激光脉冲测距扫描装置(以下简称“传统装置”)一般采用如图1所示的“收发共轴”结构，包括激光发射器11和激光接收器26，在激光发射器11下端设置有激光发射套筒16和与激光发射套筒16可旋转连接的L型光筒32，在所述L型光筒32的拐角处固定设置有与出射光线成45°角的反射镜31，所述反射镜31的直径大于激光发射套筒16的外径，也大于L型光筒32的外径，在所述激光发射套筒16外部套设有反光镜18，激光发射器11发出的出射光线在激光发射套筒16内传播被反射镜31反射后经过L型套筒32射向被测物，出射光线在被测物表面反射形成反射光线，至少一部分反射光线沿着出射光线的逆方向传播至L型套筒32外部的反射镜31上，请结合图1，反射光线被反射镜31反射后射向反光镜18，被反光镜18反射后射向激光接收器26，根据激光发射器11发出出射光与激光接收器接收到反射光的时间差，结合光速即可计算出被测物体的距离，基于上述激光脉冲测距原理，通过电机驱动反射镜31旋转，进而带动激光测距光路旋转，实现对二维场景的扫描和测量。在上述方案中，45°反射镜31作为一个重要的光路转换装置，对激光发射光路和激光接收光路进行折返，为此占用了较大的空间。而且，通过旋转45°反射镜31来带动激光光路旋转，进而实现旋转扫描，就不得不预留有大量空间以便45°反射镜31能够自由旋转。

另外，由于激光脉冲测距扫描装置是以光学接收镜片为“接收天线”的装置，在激光发射功率等条件不变的条件下，其测距能力与光学接收镜片的可用面积成正比，为实现一定距离测距需求，需要使光学接收镜片的面积达到特定的尺寸要求。因此，对于图1所示的激光脉冲测距扫描装置来说，光学接收镜片中心部分的面积被激光发射部分占据，造成光学接收镜片中心部分无法使用，可用接收面积减少。还由于激光发射套筒设计在主光路中，遮挡了部分反射光线返回的路径，导致光学接收镜片上相应区域基本处于无效状态，从而进一步减少接收镜片的可用接收面积，因此，需要使用外形尺寸很大的光学接收镜片来实现理论上较小外形尺寸光学接收镜片就能达到的性能，由此，导致激光脉冲测距扫描装置的整体体积偏大。

请结合如图2a、图2b和图3，例如，实际外形尺寸是直径为30mm的光学接收镜片，其有效接收面积仅相当于直径为18mm的光学接收镜片的理论接收面积。为保证传统装置的测距能力不下降，也就是保证光学接收镜片的有效接收面积不降低，通常，通过增加光学接收镜片外径，以提高光学接收镜片整体尺寸的方法来弥补上述问题造成的有效接收面积的损失。

进一步地，由于45°反射镜的外径需要与光学接收镜片外径相匹配，即45°反射镜的大小是由光学接收镜片的外径尺寸决定的，因此，如果光学接收镜片外径尺寸增加，则需要45°反射镜的外径尺寸也相应增加，进而，为45°反射镜预留的旋转空间也相应加大，导致传统装置的整体体积进一步增大。

技术实现要素：

本实用新型提供一种微型化激光脉冲测距扫描装置，所述装置基于激光脉冲测距原理，通过采用扁平电机直接驱动激光测距模组旋转，并通过光学接收和光学发射分离的设计，以解决传统装置光学接收镜片利用率低，装置整体体积大的问题。

一种微型化激光脉冲测距扫描装置，所述装置包括：外部壳体模组，电机转动控制模组和激光脉冲测距模组，其中，所述外部壳体模组包括底壳10和与所述底壳10固定安装的透光防护罩20，所述底壳10与所述透光防护罩20形成密闭的中空腔，所述电机转动控制模组和激光脉冲测距模组设置于所述中空腔内；所述电机转动控制模组包括固定安装于电机支架30上的扁平电机40和固定安装于所述扁平电机40的电机驱动轴50上并且由所述电机驱动轴50驱动的旋转支架70；在所述旋转支架70上固定安装有激光脉冲测距模组，包括光学系统支架80、固定设置于所述光学系统支架80上用于记录参数并且计算所述装置与目标物之间距离的激光测量控制板201，固定设置于所述光学系统支架80上的激光发射组件和激光接收组件，其中，所述激光发射组件包括激光发射器205和与所述激光发射器205同轴设置的发射准直镜片204，所述激光接收组件包括激光接收器203和与所述激光接收器203同轴设置的光学接收镜片202，所述光学接收镜片202与所述发射准直镜片204紧邻，所述激光发射器205的发射光轴209与所述激光接收器203的接收光轴208平行，并且与所述扁平电机的旋转轴90垂直，所述激光发射器205与所述激光接收器203均设置于所述激光测量控制板201上，并且所述激光发射器205与所述激光接收器203设置于所述激光测量控制板201同侧。

在一种可实现的方式中，在扁平电机40的电机主体41上设置于有电机轴承42，所述电机驱动轴50安装在所述电机轴承42上，在所述电机轴承42外部套设有中空的无线供电模组。

在一种可实现的方式中，所述无线供电模组包括固定设置于所述电机支架30并且套接于所述电机轴承42外部的发射隔磁片401、固定设置于所述旋转支架70底端的接收隔磁片403和套设于所述电机轴承42外部的磁环405，在所述发射隔磁片401和所述接收隔磁片403之间设置有安装于所述发射隔磁片401上的发射线圈402和固定安装于所述接收隔磁片403上的接收线圈404。

在一种可实现的方式中，在所述旋转支架70与所述透光防护罩20之间设置有光通信模组。

在一种可实现的方式中，所述光通信模组包括：设置于所述旋转支架70顶端的旋转通信板605和设置于所述透光防护罩20上的非旋转通信板606，所述旋转通信板605与所述非旋转通信板606同轴，所述旋转通信板605上用于安装光通信元器件的安装面和所述非旋转通信板606上用于安装光通信元器件的安装面相互平行，并且均与所述电机驱动轴50垂直，在所述旋转通信板605上设置有第一光谱光发射器604和第二光谱光接收器603，在所述非旋转通信板606上设置有第一光谱光接收器601和第二光谱光发射器602。

在一种可实现的方式中，所述第二光谱光接收器603与所述第一光谱光接收器601相对设置，所述第二光谱光接收器603的光敏面中心、所述第一光谱光接收器601的光敏面中心以及所述旋转通信板605的旋转中心共线；或者，所述第一光谱光发射器604与所述第二光谱光发射器602相对设置，第一光谱光发射器604的发光面中心、所述第二光谱光发射器602的发光面中心以及所述旋转通信板605的旋转中心共线。

在一种可实现的方式中，在所述旋转支架70与所述透光防护罩20之间设置有角度位置检测模组，所述角度位置检测模组包括固定设置于所述透光防护罩20内壁上的环形的光电码盘501和固定设置于所述旋转支架70上用于读取光电码盘501上信息的光耦502，其中，所述光电码盘501与所述扁平电机40同轴。

在一种可实现的方式中，在所述底壳10内部设置有核心控制模组，所述核心控制模组包括用于控制各个模块运行，综合处理并输出信息的核心控制板101。

本申请的方案与传统技术相比，基于激光脉冲测距原理，采用扁平电机驱动轴直接驱动激光脉冲测距模组旋转的方式进行旋转扫描，从而删减了反射镜，节省大量空间，而且与传统的采用轴承支撑，再通过皮带传动或齿轮传动来驱动轴承旋转，进而实现激光脉冲测距模组旋转的方案相比，省去中间传动环节，不仅提高了可靠性，而且由于采用的电机为扁平电机，能够大幅压缩电机自身占用的内部空间，使得所述装置紧凑、高效，实现微型化激光脉冲测距扫描装置的微型化。

本方案中激光脉冲测距模组采用了光学接收和光学发射分离的设计，光学系统接收光轴和发射光轴相互平行，收发两条光路互不干扰，从而保证光学接收镜片为全尺寸设计，接收镜片的可用接收面积全部得以利用；在需要同等光学接收面积的前提下，本方案接收镜片的外径尺寸相比于传统技术中的接收镜片外径尺寸可以做的更小，从而减少了体积占用，而且，激光脉冲测距模组中的光学接收镜片与所述发射准直镜片尽可能地紧邻，使光学系统接收光轴与光学系统发射光轴之间的距离尽可能小，从而避免由于收发光轴之间距离过大产生近距离盲区。

此外，本申请提供的装置充分利用电机轴承边缘的空间来安装无线供电模组，而没有占用额外空间，从而使所述装置内部结构更加紧凑，空间利用更加高效。

附图说明

图1为传统激光脉冲测距扫描装置的剖面结构示意图；

图2a为传统激光脉冲测距扫描装置光路中无套筒的原始接收光路示意图；

图2b为传统激光脉冲测距扫描装置光路中由于套筒的存在对接收光路造成损失的示意图；

图3为传统激光脉冲测距扫描装置中光学镜片的实际使用情况示意图；

图4为本申请提供一种微型化激光脉冲测距扫描装置的剖面图；

图5为本申请提供的激光脉冲测距扫描装置的测距原理的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图4为本申请提供一种微型化激光脉冲测距扫描装置的剖面图，请结合图4，所述装置包括：外部壳体模组，电机转动控制模组和激光脉冲测距模组。

所述外部壳体模组包括底壳10和与所述底壳10固定安装的透光防护罩20，所述底壳10与所述透光防护罩20形成密闭的中空腔，所述电机转动控制模组和激光脉冲测距模组设置于所述中空腔内，使外部壳体模组内部的器件被密封保护。

在一种可实现的方式中，所述透光防护罩20由滤波材料制成，或者，在所述透光防护罩20镀有滤波膜，使得所述透光防护罩20能够使激光脉冲测距光束自由通过，又可以阻断其它光谱范围的光线进出，减少干扰，从而增加检测的灵敏度和准确度。

所述电机转动控制模组包括固定安装于电机支架30上的扁平电机40和固定安装于所述扁平电机40的电机驱动轴50上并且由所述电机驱动轴50驱动的旋转支架70。

在一种可实现的方式中，所述电机支架30用于将所述扁平电机40固定安装，特别是固定吊装于所述外部壳体模组内部。

在一种可实现的方式中，如图4所示，在扁平电机40的电机主体41上设置于有电机轴承42，所述电机驱动轴50安装在所述电机轴承42上，例如，所述电机驱动轴50的一端通过所述电机轴承42的中心孔伸入所述扁平电机40内部，所述电机主体41、电机轴承42以及电机驱动轴50的外径依次减小。

所述旋转支架70的底面与所述电机主体41的顶面之间存在空间，在所述旋转支架70的底面与所述电机主体41的顶面之间的空间内设置有中空的无线供电模组，无线供电模组主要通过电磁感应的方式传输电能，将外部电源通过非接触方式传输给所述装置中需要旋转的器件，从而满足需要旋转的器件的供电需求。

所述中空的无线供电模组套设于所述电机轴承42外部，利用了电机轴承42外周的闲置空间，从而，减少无线供电模组的体积占用，进而压缩激光脉冲测距扫描装置的整体体积。

具体地，如图4所示，所述无线供电模组包括固定设置于所述电机支架30并且套接于所述电机轴承外部，如扁平电机40肩部的发射隔磁片401、固定设置于所述旋转支架70底端的接收隔磁片403和套设于所述电机轴承42外部的磁环405。

在一种可实现的方式中，所述发射隔磁片401以及所述接收隔磁片403均为环形隔磁片，它们的内径均略大于所述电机轴承42的外径，并且均与所述电机驱动轴50同轴。

在本实现方式中，所述磁环405安装于所述发射隔磁片401上，并且与所述接收隔磁片403相分离。

在本实现方式中，在所述发射隔磁片401和所述接收隔磁片403之间设置有安装于所述发射隔磁片401上的发射线圈402和固定安装于所述接收隔磁片403上的接收线圈404。

可选地，所述发射线圈402以及所述接收线圈404的内径大于所述磁环405的外径，并且所述发射线圈402与所述磁环405相分离，所述接收线圈404与所述磁环405也相分离。

在一种可实现的方式中，如图4所示，在所述旋转支架70包括支架底板701和支架支撑壁702，其中，所述支架底板701可以为圆形板，便于可转动部件的整体转动，并且转动过程中占用的空间最小，所述支架支撑壁702可以为圆筒形，本发明人发现，圆筒形的支架支撑壁702在转动时风阻最小，能够最大限度地保持所述激光脉冲测距扫描装置的运行稳定性。

在所述旋转支架70的支架底板701上固定安装有激光脉冲测距模组，包括光学系统支架80、固定设置于所述光学系统支架80上用于记录参数并且计算所述装置与目标物之间距离的激光测量控制板201，固定设置于光学系统支架80的激光发射组件和激光接收组件。

本发明人发现，将所述激光发射组件和所述激光接收组件均设置于光学系统支架80上，便于所述激光发射组件和所述激光接收组件的调校；而光学系统支架80设置于与电机驱动轴50刚性连接的旋转支架70上，使得在电机驱动轴50的驱动下，激光脉冲测距模组就可以实现旋转扫描。

在一种可实现的方式中，如图4所示，所述激光发射组件包括激光发射器205和与所述激光发射器205同轴设置的发射准直镜片204，所述激光接收组件包括激光接收器203和与所述激光接收器203同轴设置的光学接收镜片202，所述激光发射器205的发射光轴209与所述激光接收器203的接收光轴208平行，并且与所述扁平电机的旋转轴90垂直。所述激光发射器205与所述激光接收器203均设置于所述激光测量控制板201上，并且所述激光发射器205与所述激光接收器203设置于所述激光测量控制板201同侧。

可选地，光学接收镜片202与发射准直镜片204在空间上尽可能的紧邻，使光学系统接收光轴208与光学系统发射光轴209之间的距离尽可能小，从而避免由于收发光轴之间距离过大产生近距离盲区。所述紧邻是光学接收镜片202与发射准直镜片204外缘之间没有间隙或者间隙很小。

在一种可实现的方式中，所述激光发射组件可以设置于所述激光接收组件的正上方，也可以设置于所述激光接收组件的侧方，所述激光发射组件或者所述激光接收组件可以经过所述支架底板701的中心，也可设置于所述支架底板701上的任意位置，只需要保证所述发射光轴209与所述接收光轴208相互平行，并且与所述扁平电机的旋转轴90垂直即可。在一种可实现的方式中，所述激光脉冲测距模组设置于所述透光防护罩20内，使得发射光线和接收光线均可穿透所述透光防护罩20往返于被测物与所述激光脉冲测距模组之间。

相应地，如果所述支架支撑壁702为圆筒形，则在发射准直镜片204和光学接收镜片202相应的位置上开设视窗，以便激光脉冲测距模组能够正常运行。

图5为本申请提供的激光脉冲测距扫描装置的测距原理的示意图，请结合图5，测距原理具体为：所述激光发射器205发射激光，经激发射准直镜片204对激光束进行整形和约束后发出；待激光照射到目标物后反射回来，由光学接收镜片202进行接收，并汇聚到激光接收器203上，实现激光返回信号的检测；激光测量控制板201通过记录所述激光发射器205发射激光的初始时间，以及激光接收器203接收到返回信号时的截至时间，通过时间差乘以光速就可以计算出激光往返距离，除以2就可以换算得到所述装置与目标之间的距离。

本申请中采用光学接收和光学发射分离的设计，光学系统接收光轴和发射光轴相互平行，互不干扰，从而保证光学接收镜片为全尺寸设计，接收镜片的可用接收面积全部得以利用；在需要同等光学接收面积的前提下，本方案接收镜片的外径尺寸相比于传统技术中的接收镜片外径尺寸可以做的更小，从而减少了体积占用。

在一种可实现的方式中，在所述旋转支架70与所述透光防护罩20之间设置有光通信模组。

在本申请中，所述光通信模组可以为现有技术中任意一种基于光通信的全双工信号传输装置。

在一种可实现的方式中，所述光通信模组包括：设置于所述旋转支架70顶端的旋转通信板605和设置于所述透光防护罩20上的非旋转通信板606，所述旋转通信板605与所述非旋转通信板606同轴，所述旋转通信板605上用于安装光通信元器件的安装面和所述非旋转通信板606上用于安装光通信元器件的安装面相互平行，并且均与所述电机驱动轴50垂直。

进一步地，在所述旋转通信板605上设置有第一光谱光发射器604和第二光谱光接收器603，在所述非旋转通信板606上设置有第一光谱光接收器601和第二光谱光发射器602。

可选地，所述第一光谱光发射器604和第二光谱光接收器603是紧邻设置的，第一光谱光接收器601和第二光谱光发射器602也是紧邻设置的，所述紧邻是指光接收器与光发射器之间没有间隙或者间隙很小。

更进一步地，所述第二光谱光接收器603与所述第一光谱光接收器601相对设置，所述第二光谱光接收器603的光敏面中心、所述第一光谱光接收器601的光敏面中心以及所述旋转通信板605的旋转中心共线。

或者，所述第一光谱光发射器604与所述第二光谱光发射器602相对设置，第一光谱光发射器604的发光面中心、所述第二光谱光发射器602的发光面中心以及所述旋转通信板605的旋转中心共线。

再进一步地，如果第一光谱光发射器604的发光面中心、所述第二光谱光发射器602的发光面中心以及所述旋转通信板605的旋转中心共线，则第一光谱光发射器604发射的光脉冲在非旋转通信板606上的覆盖范围为圆形，相应地，所述第二光谱光发射器602发射的光脉冲在旋转通信板605上的覆盖范围也为圆形。由于所述第二光谱光接收器603和所述第一光谱光接收器601围绕所述扁平电机的旋转轴90旋转的半径始终是固定的，因此，如果两个光发射器的覆盖范围均为圆形，两个光接收器分别接收到的光强信号就会保持始终一致，增加光强信号的可靠性和一致性，也能够有效保证信号波形及占空比的稳定性和一致性，从而有效降低光通过过程中的误码率，有效提高数据传输速率和准确度。

在一种可实现的方式中，在所述旋转支架70与所述透光防护罩20之间设置有角度位置检测模组，从而获取当下旋转到的精确角度位置信息，实现对旋转位置的实时检测。

所述角度位置检测模组包括固定设置于所述透光防护罩20内壁上的环形的光电码盘501和固定设置于所述旋转支架70上用于读取光电码盘501上信息的光耦502，其中，所述光电码盘501与所述扁平电机40同轴。

在一种可实现的方式中，在所述底壳10内部设置有核心控制模组，所述核心控制模组包括用于控制各个模块运行，综合处理并输出信息的核心控制板101。

可选地，如图4所示，所述核心控制板101可以固定设置于所述扁平电机40与所述底壳10之间，也可以设置于其它不妨碍所述旋转支架70转动并且不妨碍所述激光脉冲测距模组测距的位置，如，固定设置于所述底壳10的侧壁上。

激光脉冲测距模组的数据通过第一光谱光发射器604发射，由第一光谱光接收器601接收，再传输给核心控制模组完成数据输出，同时，核心控制模块的控制信息通过第二光谱光发射器602发射，由第二光谱光接收器603接收，再传输给激光脉冲测距模块实现控制信息的下达。

可选地，如图4所示，在所述底壳10的侧壁上设置有用于为装置提供电源接入和数据输出接口的对外接口60。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。