一种激光扫描装置以及激光雷达装置的制作方法

本实用新型涉及三维激光扫描领域，特别是涉及一种激光扫描装置以及激光雷达装置。

背景技术：

激光扫描装置是激光雷达装置的核心部件，同时，激光扫描装置也可以用于其它需要进行激光扫描的场合。

在产业应用中，经常需要更大的连续扫描视场，特别是360°全方位的激光扫描，例如无人驾驶汽车，工业机器人等，而结构简洁，故障率低的扫描结构是产业中迫切需要的。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题在于，提供一种基于多面扫描镜的能够扩大扫描视场的激光扫描装置。

进一步的，提供一种能够实现360°扫描的激光扫描装置。

进一步的，提供一种能够提高垂直分辨率的激光扫描装置。

本实用新型公开了一种激光扫描装置，包括：

多面扫描镜，围绕扫描轴旋转；

第一收发组件组；

第二收发组件组，每个收发组件组具有至少一个收发组件；

其中，该第一收发组件组与该第二收发组件组环绕设置在该多面扫描镜周缘的不同方位，该第一收发组件组的扫描视场与该第二扫描组件组的扫描视场相接。

同一收发组件组具有位于不同方位的多个收发组件，同一收发组件组所产生的扫描线在该扫描轴的轴向方向相互间隔排列。

不同收发组件组各自所产生的扫描线在该扫描轴的轴向方向相互间隔排列。

该多面扫描镜包括双面镜、三面镜、四面镜、五面镜或六面镜。

该第一收发组件组包括第一、二收发组件，该第二收发组件组包括第三、四收发组件，以该扫描轴为z轴方向，该第一、第二收发组件分别设置在+x 轴方向、-x轴方向上，该第三、四收发组件设置在+y轴方向、-y轴方向上；

或者，该第一收发组件组包括第一、二收发组件，该第二收发组件组包括第三收发组件，以该扫描轴为z轴方向，该第一、二收发组件分别设置在 +x轴方向、-x轴方向上，该第三收发组件设置在+y或-y轴方向上；

或者，该第一收发组件组包括第一收发组件，该第二收发组件组包括第三收发组件，以该扫描轴为z轴方向，该第一收发组件设置在+x或-x轴方向上，该第三收发组件设置在+y或-y轴方向上。

不同收发组件组的收发组件沿该扫描轴的轴向的设置高度不同。

同一收发组件组中的收发组件沿该扫描轴的轴向的设置高度不同或相同。

该收发组件包括多个激光发射单元以及多个激光接收单元，各个激光发射单元所发射的出射光之间均存在夹角。

该多面扫描镜的每个扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成一空间角，所有的该空间角的角度不相同。

本实用新型还公开了一种激光雷达装置，包括：所述的激光扫描装置。

本实用新型既扩展了连续扫描视场范围，增加了扫描线的线数，又实现了360°的全方位扫描，还提高了垂直分辨率。同时，尽可能实现了扫描线的均匀分布。使得激光扫描装置结构简洁、安装方便、空间紧凑、压缩体积。

附图说明

图1所示为本实用新型的激光扫描装置的俯视结构示意图。

图2、3A所示为本实用新型的收发组件的激光发射单元的结构示意图。

图3B所示为本实用新型的扫描线的排列示意线。

图4-6所示为本实用新型的收发组件的设置位置示意图。

图7所示为本实用新型的多面扫描镜的侧视图。

图8、9、13所示为本实用新型的激光扫描装置的俯视结构示意图。

图10-12所示为本实用新型的激光扫描装置的扫描视场示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本实用新型的技术方案的实现过程，不作为对本实用新型的限制。

激光扫描装置是激光雷达装置的主要光学结构，是实现激光扫描的光学基础。激光雷达装置除包括该激光扫描装置外，还包括其他处理模块、电池模块等属于公知常识的部件。为了清晰展示本实用新型的技术改进之处，公知部分的结构，如扫描驱动等部件未显示在图中。

本实用新型公开了一种激光扫描装置。图1所示为本实用新型的激光扫描装置的俯视结构示意图。

本实用新型的激光扫描装置包括第一收发组件组1、第二收发组件组2 以及多面扫描镜3。

多面扫描镜3围绕扫描轴z旋转，在本实施例中，该多面扫描镜3具有两个扫描镜面。

该第一收发组件组1以及该第二收发组件组2环绕该可旋转的多面扫描镜3设置。第一收发组件组1包括第一收发组件101和第二收发组件102。第二收发组件组2包括第三收发组件201和第四收发组件202。该第一收发组件组1与该第二收发组件组2在该扫描轴的轴向方向的高度不同。

具体来说，以该扫描轴为z轴方向建立坐标系，原点可为扫描轴位于该多面扫描镜3内的中点，原点在扫描轴上的具体位置选择不以此为限。

该第一收发组件101、第二收发组件102均沿x轴设置，且分别设置在 -x轴方向、+x轴方向上。第一收发组件101、第二收发组件102沿该扫描轴的轴向高度相同。该第一、第二收发组件可相对该扫描轴呈轴对称设置。

该第三收发组件201、第四收发组件202均沿y轴设置，且分别设置在 +y轴方向、-y轴方向上。该第三收发组件201、第四收发组件202沿该扫描轴的轴向高度相同。该第三、第四收发组件可相对该扫描轴呈轴对称设置。

每个收发组件101、102、201、202均包括激光发射单元以及激光接收单元，激光发射单元均朝向扫描轴发射出射光，经该扫描镜面反射产生反射光，该反射光用于进行激光探测，产生扫描线。在理想的情况下，激光发射单元针对具有两个扫描镜面的多面扫描镜的扫描视场为360度，但是，由于第一收发组件101、第二收发组件102相向设置且位于同一高度，故而二者发射的激光射向对方而存在相互干扰，则对于第一收发组件101来说，图1 中覆盖了第二收发组件102的由虚线划分出的区域B为扫描干扰区，区域B 同时也是第一收发组件101的扫描边缘区，是第一收发组件101的接收信号最弱的扫描区域，已经不能作为激光扫描装置有效的工作区域。同时，由于该第一收发组件101自身对该反射光造成遮挡，导致位于区域D的反射光无法越过该第一收发组件101而出射至周围环境中，无法实现对环境中目标的激光探测。因此第一收发组件101的扫描视场仅包括区域A、C，区域B、D 为第一收发组件101的扫描盲区。

同理，对于第二收发组件102来说，第二收发组件102的扫描视场也仅包括区域A、C，区域B、D为第二收发组件102的扫描盲区。

为了实现连续扫描视场的扩大，第一、二收发组件组1、2的放置位置使得第二收发组件组2的扫描视场与第一收发组件组1的扫描视场相接。

具体来说，第二收发组件组2需放置在第一收发组件组1的扫描视场中，或者第二收发组件组2放置在第一收发组件组1的扫描视场的边缘，以保证第二收发组件组2与第一收发组件组1的扫描视场完全衔接融合起来，中间无断档，从而使得连续的扫描视场范围扩大。特别是第二收发组件组2与第一收发组件组1的扫描视场在水平方向上完全衔接，水平方向位于X轴Y轴所在平面中。

更为优化的，第二收发组件组2的扫描视场需覆盖该第一扫描组件组1 的扫描盲区,即，覆盖该第一扫描组件组1的扫描干扰区以及扫描边缘区。

由于第三、四收发组件201、202位于+y、-y方向，故而同理，对第三收发组件201来说，第三收发组件201的扫描视场仅包括区域B、D，区域A、 C为第三收发组件201的扫描盲区。对第四收发组件202来说，第四收发组件202的扫描视场仅包括区域B、D，区域A、C为第四收发组件202的扫描盲区。

可见，第一收发组件组1与第二收发组件组2的扫描视场与扫描盲区恰好相反，则彼此可以相互弥补，扩大了连续扫描视场，特别是可进而实现 360°的激光扫描，同时，尽可能保证扫描线分布的均匀。又因为该第一收发组件组1与该第二收发组件组2沿该扫描轴的轴向高度不同，使得第一收发组件组1与该第二收发组件组2并不会遮挡彼此的反射光，进而实现360 °的激光扫描。

区域A、B、C、D可分别为90°，一条虚线与+x方向成+45°，一条虚线与+x方向成-45°。该区域的范围大小还可根据收发组件的接收信号强度的实际分布而划分，或者，该区域还可为根据需要选定的收发组件的最佳工作范围，不以图1为限。

每个该收发组件可包括多个激光发射单元以及多个激光接收单元，各个激光发射单元所发射的出射光之间均存在夹角。例如，每个收发组件可包括 4或8个激光发射单元，则对应设置4或8个激光接收单元，数量不以此为限。如图2、3A所示，该4个激光发射单元竖直排列，该4个激光发射单元的所有出射光位于同一出射平面M中，同一收发组件中各个出射光角度不同。图2的四个出射光呈现发散状态排列，图3A的四个出射光呈现汇聚状态排列，使得光线出射后，不同扫描线保持一定间距。

另外，同一收发组件组具有位于不同方位的多个收发组件，同一收发组件组所产生的扫描线在该扫描轴的轴向方向相互间隔排列。

如第一收发组件组1包括第一收发组件101和第二收发组件102，第一收发组件101和第二收发组件102位于不同方位，第一收发组件101和第二收发组件102所产生的扫描线在z轴方向上相互间隔排列，即，相互错开，而非互相重合，从而提高了轴向方向的由出射光所形成的扫描线的密度，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。如图3B所示为本实用新型的扫描线的排列示意线，S1、S3、S5、S7由第一收发组件101产生，S2、S4、S6、S8由第二收发组件102产生。可见，所有扫描线相互错开，增加了垂直分辨率。

同理，不同收发组件组各自所产生的扫描线在该扫描轴的轴向方向也可相互间隔排列。

另外，同一收发组件组中的收发组件在该扫描轴的轴向方向上的高度可以不同或相同。而不同收发组件的激光发射单元的出射光角度可以不同或相同。

具体来说，本实用新型为了进一步提高扫描轴轴向方向上的扫描分辨率，可采用以下方式：

方式1，同一收发组件组中的收发组件在该扫描轴的轴向方向上的设置高度不同且出射光角度保持相同。

此时，如图4所示，图4-6中均省略了多面扫描镜，图4为收发组件仅具有一个激光发射单元，仅发出一个出射光时的示例。由于第一、二收发组件101、102的高度不同且出射光角度相同，故而出射光互不重合遮挡，经多面扫描镜反射后的反射光也互不重合遮挡，从而提高了轴向方向的由出射光所形成的扫描线的密度，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

当收发组件具有多个激光发射单元，从而发出多个出射光时，不同收发组件之间的对应的激光发射单元的出射光角度保持相同，且不同收发组件的设置高度不同，从而使得两个收发组件的各个出射光均依照上述需求错开设置，使得所产生的所有扫描线相互错开，间隔设置，互不重合。

又由于不同收发组件组在轴向方向的高度不同，故而第三、四收发组件 201、202的高度亦与第一、二收发组件101、102的高度各不相同，使得四个收发组件各自的扫描线相互错开，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

方式2，同一收发组件组中的收发组件在该扫描轴的轴向方向上的高度不同且出射光角度不同。

如图5所示，为收发组件仅具有一个激光发射单元，仅发出一个出射光时的示例。第一、二收发组件101、102的高度不同，且出射光角度不同，出射光互不重合遮挡，经多面扫描镜反射后的反射光互不重合，从而提高了轴向方向的扫描线密度，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

当收发组件具有多个激光发射单元，从而发出多个出射光时，收发组件之间对应的激光发射单元的出射光角度不同，且不同收发组件的设置高度不同，从而使得两个收发组件的各个出射光均依照上述需求错开设置，使得所产生的扫描线相互错开，间隔设置，互不重合。

又由于不同收发组件组在轴向方向的高度不同，故而第三、四收发组件 201、202的高度亦与第一、二收发组件101、102的高度、出射光角度各不相同，使得四个收发组件各自的扫描线相互错开，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

方式3，同一收发组件组中的收发组件在该扫描轴的轴向方向上的高度相同且出射光角度保持不同。

如图6所示，为收发组件仅具有一个激光发射单元，仅发出一个出射光时的示例。第一、二收发组件101、102的高度相同且出射光角度保持不同，使得出射光互不重合遮挡，经多面扫描镜反射后的反射光亦互不重合，从而提高了轴向方向的扫描线密度，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

当收发组件具有多个激光发射单元，从而发出多个出射光时，不同收发组件之间的对应的激光发射单元的出射光角度不同，且不同收发组件的设置高度相同，从而使得两个收发组件的各个出射光均依照上述需求错开设置，使得所产生的扫描线相互错开，间隔设置，互不重合。

又由于不同收发组件组在轴向方向的高度不同，故而第三、四收发组件 201、202的高度亦与第一、二收发组件101、102的高度、出射光角度各不相同，使得四个收发组件各自的扫描线相互错开，进而提高了轴向方向的垂直分辨率。

其中，方式1、2相对方式3还具备近场纵向扫描范围增加，提高近场测距能力的技术效果。由于第一、二收发组件101、102具有高度差，则在近场扫描、激光出射距离较短时，在轴向方向可覆盖的扫描范围增加。

在另一实施例中，第一收发组件组1可仅设置图1中的第一收发组件 101，第二收发组件组2可仅设置图1中的第三收发组件201。此时仍可实现扫描视场的扩展以及360°扫描视场。

更为优化的，多面扫描镜3的每个扫描镜面的法线可分别与该扫描轴形成一空间角，所有的该空间角的角度不相同。如图7所示为多面扫描镜的侧视图。可见，多面扫描镜3具有扫描镜面E、扫描镜面F。扫描镜面F的法线F1与扫描轴z的空间角F2小于90度，扫描镜面E的法线E1与扫描轴z 的空间角E2等于90度，可见，空间角F2与空间角E2的角度不相同。

随着多面扫描镜3的旋转，当不同的扫描镜面面向激光发射单元时，由于不同扫描镜面的空间角的角度不同，则对激光的反射方向也不同，故而针对同一激光发射单元，不同扫描镜面可产生不同的扫描线，即同一激光发射单元随着具有两个扫描镜面对多面扫描镜3的旋转，可产生两条扫描线。

该多面扫描镜还可包括三、四、五或六个扫描镜面。

对于三个扫描镜面的实施例，可以参见实用新型专利201711167513.1。参见本实用新型图8、9所示，该第一收发组件组1以及该第二收发组件组 2均分布在该多面扫描镜的周缘。第一收发组件组1包括第一收发组件101 和第二收发组件102。该第一收发组件组1与该第二收发组件组2沿该扫描轴的轴向方向的高度不同。该多面扫描镜的每个扫描镜面的法线分别与该扫描轴z形成一空间角，所有的该空间角的角度不相同。

该第一收发组件101、第二收发组件102均沿x轴设置，且分别设置在 +x轴方向、-x轴方向上。

在一实施例中，第二收发组件组2仅包括一个收发组件，即第三收发组件201。每个该收发组件均包括激光发射单元以及激光接收单元，每个该激光发射单元朝向该扫描轴发射出射光，经该多面扫描镜反射后产生反射光，该反射光进入该激光扫描装置的周围环境，或者说是激光雷达装置的周围环境，对环境中的目标进行激光探测，成为扫描线。

以多面扫描镜的底面为正三角形的标准三棱扫描镜为例，随着多面扫描镜的旋转，该第一收发组件101的扫描视场以扫描轴为中心覆盖240°，其未覆盖到的视场角为θ1。该θ1为120°，且在+x轴两侧各分布60°。

从图10中可知，该第一收发组件101的240°扫描视场中，由于该第一收发组件101自身对该反射光造成遮挡，导致部分区域的反射光无法越过该第一收发组件101而出射至周围环境中，无法实现对环境中目标的激光探测。该第一发组件组101所阻挡的部分空间为扫描盲区S1。该扫描盲区S1 的位置与该第一收发组件101的位置相对对应，基本分布在-x轴两侧各15 °的范围内，不以此为限。

如图11所示，与该第一收发组件101类似的，该第二收发组件102朝向扫描轴z发射出射光，即，出射光朝向-x方向。随着多面扫描镜的旋转，该第二收发组件102的扫描视场以扫描轴为中心覆盖240°，其未覆盖到的视场角为θ2。该θ2为120°，且在-x轴两侧各分布60°。该第二收发组件102的240°扫描视场中，由于该第二收发组件102自身对该反射光造成遮挡，产生扫描盲区S2，与扫描盲区S1类似的，分布在+x轴两侧各15°的范围内。

为了实现360°扫描视场，即，使得在周围环境中对应扫描盲区S1、S2 的范围内也具备扫描线，本实用新型进一步设置该第二收发组件组2。利用该第二收发组件组2的扫描视场覆盖该扫描盲区S1、S2。

如图8、12所示，该第三收发组件201沿y轴设置，且设置在+y轴方向。与该第一、第二收发组件101、102同理，该第三收发组件201朝向扫描轴z发射出射光，即，出射光朝向-y方向。随着多面扫描镜的旋转，该第三收发组件201的扫描视场以扫描轴为中心覆盖240°，其未覆盖到的视场角为θ3。该θ3为120°，且在-y轴两侧各分布60°。另外，该第一收发组件组1的所有收发组件与该第二收发组件组2的收发组件沿该扫描轴的轴向高度不同。即，由于第三收发组件201与该第一、第二收发组件101、 102的设置的轴向高度不同，使得第一、第二收发组件101、102不会对第三收发组件201产生的反射光造成遮挡，顺利出射至周围环境中，从而在周围环境中覆盖分布在+x轴两侧各15°以及-x轴两侧各15°的范围，也就是覆盖第一、第二收发组件101、102的扫描盲区S1、S2，使得激光扫描装置可实现360°无死角扫描。

同理，该第三收发组件201还可沿y轴设置，且设置在-y轴方向。使得激光扫描装置可实现360°无死角扫描。

在第二实施例中，参见图13所示，第二收发组件组2可包括两个收发组件，即第三收发组件201以及第四收发组件202。该第三收发组件201可沿y轴设置，且设置在+y轴方向，该第四收发组件202可沿y轴设置，且设置在-y轴方向。此时，第三收发组件201以及第四收发组件202均可覆盖扫描盲区，另外，第一收发组件组1以及第二收发组件组2设置的轴向高度不同，且设置位置不同，使得图13所示实施例的四个收发组件均匀围绕多面扫描镜3设置，且各自的扫描盲区也均匀分布于多面扫描镜的四个方向，使得各方向的激光点密度更加均匀。

事实上，第二收发组件组2的两个收发组件的位置也可以根据需要而进行调整，只要设置在能够覆盖扫描盲区的位置上即可。

对于具有其他数量扫描镜面的多面扫描镜，本领域的技术人员可以基于本实用新型的上述原理，进行收发组件组的位置设定，扩展连续扫描视场，进而保证360°的全扫描。

具备上述激光扫描装置的激光雷达装置也在本实用新型的公开范围内。

其他数量的扫描镜面，其方式与上述实施例相同，本领域的技术人员可根据本实用新型所述方式进行设置。

本实用新型通过上述技术方案，既扩展了激光扫描装置的连续扫描视场，又增加了激光雷达装置的扫描线的线数，又实现了360°的全方位扫描，还提高了垂直分辨率。同时，尽可能实现了扫描线的均匀分布。另外，结构简洁、安装方便、空间紧凑、压缩体积。

上述实施例仅为实现本实用新型的示例性描述，而不用以限制本实用新型的保护范围，保护范围请参阅后附带权利要求书中记载为准。