一种扫描激光雷达的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术：

目前，采用发射机和接收机旋转方式的扫描激光雷达，由电滑环供电驱使发射机和接收机旋转实现360°视场的扫描，存在电滑环寿命短，成本高的问题。如图1所示，采用激光扫描器扫描方式的扫描激光雷达，激光扫描器主要由转镜、驱动电机和轴角编码器组成，驱动电机带动转镜转动，对激光光路进行折射，实现视场的扫描，轴角编码器用于实时提供转镜的转动位置；在激光扫描器和雷达处理机之间通过支架连接，由排线进行供电和传输信号，实现对转镜转动控制和读取转动位置。由于支架与视场的扫描区域存在交叉，会遮挡光路，因此无法实现360°视场的扫描，存在扫描死角。

另，激光雷达通常还面临，位于室外时，低温结露减少外壳透光率问题，以及外界电磁辐射信号可通过外壳进入扫描激光雷达影响激光雷达正常工作的问题。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种扫描激光雷达，解决采用激光扫描器扫描方式的扫描激光雷达存在扫描死角的问题，低温结露及电磁干扰问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种扫描激光雷达，包括发射接收组件、处理机、激光扫描器，还包括360°透光导电外壳；

所述透光导电外壳，包括外壳基底和第一透光导电层；

所述外壳基底，为所述激光扫描器提供支撑，将所述激光扫描器固定于发射接收组件的对侧；

所述第一透光导电层，附着于外壳基底上，为所述激光扫描器和处理机之间提供电连接通路，传输激光扫描器与处理机之间的电信号。

进一步地，所述第一透光导电层包括多条纵向的第一透光导电条带；

所述每条第一透光导电条带的一端分别连接处理机的i/o端，另一端与激光扫描器的电机或码盘进行对应连接。

进一步地，所述第一透光导电层还包括多条纵向均匀分布的第二透光导电条带，

所述每条第二透光导电条带一端与处理机供电电源连接，另一端接地，用于为所述透光导电外壳加热。

进一步地，所述第一透光导电层为光学带通导电材料，厚度范围为145nm-1000nm，第一透光导电条带与第二透光导电条带均匀分布，导电条带的间隔范围为100-500um，条带宽度范围为0.5-15um。

进一步地，所述透光导电外壳还包括用于电磁屏蔽的第二透光导电层；

所述第二透光导电层与所述透光导电层相互绝缘，为金属网栅电磁屏蔽膜，与处理机的地线连接。

进一步地，所述第二透光导电层为光学带通导电材料，厚度范围为600nm-1000nm，栅格周期范围为100-500um，线宽范围为0.5-15um。

进一步地，所述360°透光导电外壳由内向外依次包括第一透光导电层、绝缘层、第二透光导电层和外壳基底；

所述第一透光导电层位于所述透光导电外壳的最内层，包括用于为所述激光扫描器和处理机之间提供电连接通路的第一透光导电条带；

所述绝缘层位于第一透光导电层和第二透光导电层之间，用于第一透光导电层和第二透光导电层之间的绝缘；

所述第二透光导电层位于所述绝缘层和外壳基底之间，为所述扫描激光雷达提供电磁屏蔽。

进一步地，所述第一透光导电层还包括用于为所述透光导电外壳加热的第二透光导电条带。

进一步地，所述第一、第二透光导电层均为光学带通导电材料，所述第一透光导电层的透光导电条带的间隔宽度与第二透光导电层栅格周期相同，且位置重合；所述第一透光导电层的导电膜的厚度不小于145nm，所述第二透光导电层的导电膜的厚度不小于600nm，绝缘层的厚度范围不小于125nm，并且三层膜层总厚度范围为870nm-1000nm。

进一步地，所述外壳基底的厚度范围为0.5mm-10mm。

本发明有益效果如下：

1、通过采用光学带通导电功能外壳，解决了扫描死角的问题，实现了360°扫描；

2、采用光学带通导电材料作为外壳，只能对雷达的工作波段的激光进行透射，减少了干扰；

3、可以实现对激光雷达的外壳加热，使激光雷达可在低温环境下使用；

4、激光雷达外壳导电，可实现电磁屏蔽作用，屏蔽外部噪声信号对激光雷达系统内部电阻、电感等的干扰，并降低外壳表面电阻率，泄漏产生的静电荷，预防静电，减少电子灰尘等的影响。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有的扫描激光雷达组成连接示意图；

图2为本发明实施例中的扫描激光雷达组成连接示意图；

图3为本发明实施例中的不同厚度azo薄膜的透过率曲线图；

图4为本发明实施例中的当导电膜层厚度为145mm时，不同材料导电膜层的透过率曲线图；

图5为本发明实施例中的当导电膜层厚度为1000mm时，不同材料导电膜层的透过率曲线图；

图6为本发明实施例中的基底厚度为0.5mm时，不同基底材料的透过率曲线图；

图7为本发明实施例中的基底厚度为10mm时，不同基底材料的透过率曲线图；

图8为本发明实施例中的第一透光导电层导电条带分布示意图；

图9为本发明实施例中的透光导电外壳结构示意图；

图10为本发明实施例中的透光导电外壳侧面展开示意图；

图11为本发明实施例中的第二透光导电层金属网栅结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种扫描激光雷达，如图2所示，包括发射接收组件、处理机、激光扫描器和透光导电外壳；

发射接收组件包括发射机和接收机；

激光扫描器包括转镜、电机和码盘；其中转镜包括支柱和反射镜；

电机带动转镜转动，改变激光雷达的激光发射和接收的光路，实现视场的扫描；码盘用于实时提供转镜的转动位置；

透光导电外壳罩于发射接收组件之上，并将激光扫描器固定于发射接收组件的对侧；使所述转镜的反射镜与发射接收组件相对；

激光雷达的发射机发射激光，经过反光镜的反射后，发射出去探测目标，目标的回波信号经过反光镜的反射后，进入到接收机中；

其中，激光扫描器固定的方式可以采用粘接的固定方式，或者其他可以使激光扫描器与透光导电外壳牢固连接的固定方式，如螺栓固定方式等。

由于透光导电外壳具有导电作用，可建立激光扫描器和处理机之间的电连接通路；将处理机的i/o端与激光扫描器的电机连接，使处理机输出电压信号驱使激光扫描器的电机转动，进而带动转镜在相对于发射接收组件发射或接收激光光路的垂直面内进行任意角度的偏转；将处理机的i/o端与激光扫描器的码盘进行连接，激光扫描器的码盘实时提供转镜的转动角度；码盘将转镜的转动角度，通过i/o端反馈到处理机，从而实现激光雷达的360°视场扫描。

具体的，处理机控制激光扫描器进行360°视场扫描的方法可采用传统的扫描激光雷达的扫描方法，并非本发明的保护范围。

由于外壳透光，在扫描的整个光路上没有遮挡物，因此可实现无死角的360°视场扫描。

具体的，透光导电外壳包括外壳基底和第一透光导电层；

其中，外壳基底具有透光性，一方面作为支撑物，用于固定所述激光扫描器；另一方面作为基底，用于附着第一透光导电条带；

具体的，外壳基底可以为玻璃，或者包括pet、pen、pi或pc在内的任一塑料透明材料。

所述第一透光导电层，附着于外壳基底上，为所述激光扫描器和处理机之间提供电连接通路，传输激光扫描器与处理机之间的电信号；

更为细节的，所述第一透光导电层包括多条纵向均匀分布的第一透光导电条带，每条第一透光导电条带的一端分别连接处理机的一个i/o端，另一端与激光扫描器的电机或码盘进行对应连接，用于为所述激光扫描器和处理机之间提供电连接通路。实现处理机对激光扫描器扫描角度的控制。

优选的，第一透光导电层的透光导电材料可以采用光学带通范围为800-1600nm的光学带通导电材料，例如azo、ito、fto或纳米银线导电膜等。

对于第一透光导电层和外壳基底的厚度范围，本实施例通过以下分析获得：

采用的，第一透光导电层为azo透明导电薄膜，外壳基底材料为玻璃或pet塑料；

透光导电外壳的透光率包括导电薄膜透光率和基底材料透光率；

首先对于azo透明导电薄膜，由于导电薄膜透光率和导电性的性能是相互矛盾的，当薄膜的透过率高时，其导电性就会变差，相反，当导电性好时，其透过率又会变低。如图3所示，为800-1600nm波段不同厚度azo薄膜的透过率曲线；

从图3中可以看出，随着azo薄膜厚度l的增加，薄膜的透过率逐渐减小。薄膜厚度为500nm时，其透过率为90％，厚度为700nm时，透过率下降到85％，而薄膜厚度增加到1100nm时，其透过率已经下降到了80％以下。为了保证azo薄膜的透过率，薄膜的厚度需控制在1000nm以下。在800-1600nm波段范围内，800nm波段的光线透过率最低，要想透过率达到80％，则薄膜的厚度要控制在870nm以下。

对于不同光学带通导电材料的透光率曲线如图4、图5所示，其中，图4为当导电膜层厚度为145mm时，不同材料导电膜层的透过率；图5为当导电膜层厚度为1000nm时，不同材料导电膜层的透过率；

从图4和图5中可知，对于800-1600nm波段的光线，不同材料的导电膜层的透过率先小幅增加然后逐渐减小，其中银纳米线材料的透过率最高。随着薄膜厚度l的增加，薄膜的透过率降低。薄膜厚度为145nm时，不同材料的导电膜层的透过率为80％以上；当薄膜厚度为到1000nm时，不同光学带通导电材料的透过率均能满足透光率要求。

其次对于基底材料，其对光的透过率可以用表示。其中，α为基底对光的吸收系数，只与材料本身的复折射率虚部k有关：lg为基底的厚度。基底的厚度lg越大，其对光的吸收越多，透光率越低。光学带通导电材料光电性能测试实验结果，如下图6和图7所示。

图6为基底厚度为0.5mm时，不同基底材料的透过率，图7为基底厚度为10mm时，不同基底材料的透过率；其中基底材料包括玻璃、pc、pet、pen以及pi。

由图6和图7可知，对于800-1600nm波段的光线，不同材料基底的透过率先小幅增加然后逐渐减小。当基底厚度为0.5mm时，对800-1600nm波段的透光率可以达到80％以上；当基底厚度为10mm时，对800-1600nm波段的透光率可以达到70％以上。为了保证足够的透光率，基底厚度范围为0.5-10mm。

雷达在昼夜温差较大的环境下使用时，白天大气和雷达外壳的温度上升到环境温度，到了夜晚大气中的热量散发速度慢，雷达外壳比大气先冷却，大气中的水蒸气接触到外壳，能结成露珠。

为了避免雷达的探测性能受到低温结露的影响，本实施例优选的，所述第一透光导电层还包括多条纵向均匀分布的第二透光导电条带，每条第二透光导电条带的一端与处理机供电电源连接，另一端与处理机地线连接的第二透光导电条带；

优选的，第二透光导电层的透光导电材料可以采用光学带通范围为800-1600nm的光学带通导电材料，例如azo、ito、fto或纳米银线导电膜等。

在低温环境下，通过处理机给连接在供电电源与地线的第二透光导电条带供电，第二透光导电条带在通电情况下会发热，使透光导电外壳在一定时间内加温到露点以上，克服低温结露问题使激光雷达在低温环境下也能正常使用。

以下根据温度和电阻的关系，对导电薄膜厚度进行分析；

关于露点：在温度t下，相对湿度u的计算公式：

其中，ea为空气中的水蒸汽压强，es为饱和蒸汽压。

例如，在温度t为25℃，相对湿度u为50％时，查表可得温度为25℃时，对应的饱和蒸汽压为3168pa，则空气中的水蒸汽压强为3168×50％＝1584pa。查表可得饱和蒸汽压为1584pa时，对应的温度为13.8℃。那么当温度为25℃，相对湿度u为50％时，露点温度为13.8℃。

为避免外壳上凝结水珠，需要保证外壳的温度高于露点温度。由于外壳主要由导电膜和基底组成，导电膜的厚度非常薄，将其升温所需的热量可以忽略不计。玻璃基底的比热容为0.966j/(g·℃)。假设在-15℃的低温下，将质量m为30g(表面积s×厚度h×密度ρ＝6000mm²×2mm×2.5t/m³＝30g)的玻璃基底加热到13.8℃，所需要的热量为：

δe＝c×m×δt＝834.624j≈835j

以上加热过程需要在δt时间内完成，因此：

则所需电阻r为：

例如，处理机供电电源为24v，加热时间δt为60s，则可求所需电阻r的最大值约为41.4ω。

azo透明导电膜的电阻r为：其中，ρ为电阻率，l为膜层的厚度，a为在电流方向上的膜层长度，b为在垂直于电流方向上的膜层长度。

当a＝b时，azo透明导电膜的形状为正方形，其方块电阻rs为：薄膜的方块电阻越小，导电性越好。

为膜层的厚度azo导电膜的电阻率ρ为6×10^-4ω·cm，方块电阻rs取为41.4ω，则所需导电膜的最小厚度l约为145nm。

由此，在第一透光导电层包括第一透光导电条带和第二透光导电条带时，且透光材料为azo透明导电膜，基底材料为玻璃或pet塑料时，第一透光导电层的厚度范围为145nm-1000nm，基底材料的厚度范围为0.5mm-10mm；

为使整个外壳能够均匀加温，第一透光导电层的第一透光导电条带和第二透光导电条带的宽度相同，相互间隔均匀布置；如图8所示。

外界电磁波会与雷达内的电子元件相互作用，产生电磁干扰。为了避免电磁干扰或噪声引起系统性能恶化，本实施例的外壳还包括第二透光导电层，实现雷达的电磁屏蔽的功能。

第二透光导电层与第一透光导电层相互绝缘，优选为金属网栅电磁屏蔽膜，与处理机的地线连接。

在第二透光导电层于第一透光导电层之间起绝缘作用的绝缘层，优选为二氧化硅薄膜材料。

影响电磁屏蔽体效能的因素有两个：一是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，二是不能有直接穿透屏蔽体的导体。

屏蔽体工作原理：

电磁屏蔽效能是在电磁场中同一地点无屏蔽时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比，常用分贝数(db)表示。屏蔽效能由反射损失和吸收损失组成。

当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生反射。这种反射与屏蔽材料的厚度无关。未被表面反射而进入屏蔽体的能量，在向前传播的过程中，被屏蔽材料吸收。但由于azo薄膜屏蔽体厚度薄，因此其吸收损耗可以忽略不计，主要靠反射损耗来进行屏蔽。

azo薄膜屏蔽体的屏蔽效能由膜层的方块电阻rs决定。膜层的方块电阻rs与膜层对电磁波的反射率rr及屏蔽效能se之间的关系如下：

se＝20lg(1-rr)；

方块电阻越小，电磁屏蔽效能越大。要使azo导电膜的屏蔽效能达到要求，薄膜电阻值控制在10ω/sq以下，电磁反射率可达89.9％以上、屏蔽效能可达19.9db。

由膜层厚度l与方块电阻rs的关系式为azo导电膜的电阻率ρ为6×10^-4ω·cm，方块电阻rs取为10ω，则第二透光导电层的导电膜最小厚度l约为600nm。

电磁屏蔽膜的金属网栅参数要综合考虑电磁屏蔽特性和光学透过特征；

金属网栅参数包括线宽2a和周期g；

对于外界干扰电磁波，金属网栅的特征参数a、g和电磁屏蔽t0的关系式为：电磁屏蔽效率s为：s＝-10lgt0；

对于光学透过特征，金属网栅的特征参数a、g和透过率t的关系式如下所示：

假设屏蔽波长λ为20mm，由上述三个公式，求出周期g值固定时，线宽2a与屏蔽效率s、工作波长透过率t的关系。求出线宽2a值固定时，周期g与屏蔽效率s、透过率t的关系。如表2-1到表2-4所示。

表2-1周期g＝150um时线宽与屏蔽效率的关系

表2-2周期g＝150um时线宽与透过率的关系

表2-3线宽2a＝6um时周期与屏蔽效率的关系

表2-4线宽2a＝6um时线宽与透过率的关系

从表2-1到表2-4中可以看出，若要提高电磁屏蔽效率s，需要选取较小的周期g和较大的线宽2a；若要提高工作波长的透过率t，需要选取较大的周期g和较小的线宽2a。或者说，网栅周期g的减小和线宽2a的增加可以提高网栅屏蔽电磁波的能力，但是透过率t却是在网栅周期g增加和线宽2a减小的时候才能得到提高。特征参数对光电特性的影响本身是矛盾的，优化特征参数使其具备优良的屏蔽效果和较好的透光特性。

对于不同的应用场景，对电磁屏蔽效率和工作波长透过率有不同的需求。对透过率要求达到88％，对电磁屏蔽效果要求为电磁屏蔽效率14db的情况下，第二透光导电层的金属网栅电磁屏蔽膜的周期g的范围为100-500um，线宽2a的范围为0.5-15um。

综上，本实施例的一个优选方案的透光导电外壳如图9所示，外壳壳体由内向外依次包括导电/加热层、绝缘层、电磁屏蔽层和基底；外壳的侧面展开图如图10所示；

导电/加热层位于所述透光导电外壳的最内层，如图8所示，包括用于为激光扫描器和处理机之间提供电连接通路的第一透光导电条带和为透光导电外壳加热的第二透光导电条带；用于为使整个外壳能够均匀加温，第一透光导电条带和第二透光导电条带的宽度相同，相互间隔均匀布置；

绝缘层位于第一透光导电层和第二透光导电层之间，用于第一透光导电层和第二透光导电层之间的绝缘；

电磁屏蔽层位于绝缘层和基底之间，如图11所示，为金属网栅电磁屏蔽膜，用于为扫描激光雷达提供电磁屏蔽；

基底，用于为所述激光扫描器提供支撑。

特殊的，为了同时满足为所述激光扫描器和处理机之间提供电连接通路、为透光导电外壳加热、为雷达器件提供电磁屏蔽以及满足透光性的要求；第一透光导电层的导电膜的厚度不小于145nm；第二透光导电层的导电膜的厚度不小于600nm；绝缘层的厚度不小于125nm；并且，上述三层膜的膜层总厚度不超过1000nm；即，三层膜的膜层总厚度范围为870nm-1000nm；外壳基底的厚度范围为0.5mm-10mm。

为进一步增加透光率，第一透光导电层的透光导电条带的间隔宽度与第二透光导电层栅格周期相同，范围为100-500um，线宽也相同，范围为0.5-15um，且位置重合。

当栅格周期g为160um，线宽为9um，即第一透光导电层的导电膜的导电条带的宽度b1为9um。由前述可知，对于加热部分，在电流方向上的膜层长度a＝nb1；例如a为18mm，则细线个数n为2×103。又因为栅格周期为160um，则b＝ng＝320mm，则外壳的口径约为b/π≈102mm。

第一透光导电层与第二透光导电层的制作可采用光刻工艺；光刻工艺主要包括光学光刻与粒子束光刻两种方式。

光学光刻是最先普遍应用起来的光刻技术。光学光刻的原理是光从辐射源射出后透过掩膜版上的未遮蔽区域照在涂覆有光刻胶的基片上，光刻胶受到光照后会进行反应致使其溶解度变化，再经过显影即可得到相应的图形结构，利用刻蚀或真空镀膜等处理技术就可以实现掩膜版上的图形转移，在基片上得到所需要的图形结构。

粒子束光刻所得到的图形分辨率相对来说会更高一些，其主要包括了电子束光刻、x射线光刻以及离子束光刻等光刻方式。

另，第一透光导电层与第一透光导电层的制作也可采用现有的多种azo薄膜的制备方法，最常见的主要有分子束外延法、脉冲激光沉积法、喷雾热解法、热蒸发法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法以及磁控溅射法等。目前，应用较为广泛并且技术较为成熟的是磁控溅射法。

优选的，为了使光学带通导电材料与所述处理机或激光扫描器进行可靠的电连接，可以采用导电胶粘接或导线焊接的方式进行电连接。

本实施例的发射接收组件可采用现有的扫描雷达的对应部件，不作为本发明的保护范围。

综上所述，本实施例公开的扫描激光雷达，具有360°光学带通导电功能外壳，解决了扫描死角的问题，实现了360°扫描；采用光学带通导电材料作为外壳，减少了其他工作波段的光源对激光雷达的干扰；可以实现对激光雷达的外壳加热，使激光雷达可在低温环境下使用；可实现电磁屏蔽作用，屏蔽外部噪声信号对激光雷达系统内部电阻、电感等的干扰，并降低外壳表面电阻率，泄漏产生的静电荷，预防静电，减少电子灰尘等的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。