一种扫描用棱镜及棱镜扫描装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光雷达扫描技术领域，具体涉及一种扫描用棱镜及棱镜扫描装置。


背景技术：

2.线扫型激光雷达的视场角一般为360
°
，将其应用于机载场景进行管道巡查、廊道测图或电力巡线等带状目标测绘时，由于其探测目标仅位于激光雷达的侧方或下方的扇形区域，导致多数扫描线被浪费，同时目标区域的扫描线稀疏。针对此情况，近年来业内提出了多种适配机载应用的激光雷达扫描方式，旨在将激光雷达的扫描视场从360度压缩至合适的角度，从而增加中心视场的扫描线数，提高目标区域的扫描效率和点云密度。现有技术方案中，塔镜扫描方案应用最为广泛。
3.塔镜扫描方案的技术原理见图1。塔镜在电机的驱动下做高速旋转，其工作面为沿圆周方向分布的若干个斜切面。出射激光在工作面上发生反射，光路偏转后指向目标方向。一个完整的工作面掠过出射光后，激光脚点在目标上扫描轨迹为一段垂直于行进方向的直线。但塔镜扫描方案存在以下问题：首先，由于塔镜有多个工作面，且其工作面与安装面、回转轴之间均存在夹角，属于异形结构，导致塔镜的加工制造难度大，加工成本高。第二，在相同的通光孔径下，塔镜的体积、重量及转动惯量较大，从而增加了激光雷达整机的体积、重量和功耗；第三，塔镜扫描视场角相对较小，导致扫描作业效率较低：以图2所示的四工作面塔镜为例，当其中一个工作面完整地掠过出射光时，计算机模拟可得塔镜扫描的视场角为：83.6
°
。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种扫描用棱镜及棱镜扫描装置，相比于塔镜扫描方式，在工作面面积相同时，本方案扫描棱镜的体积、重量和转动惯量小，产品整机的体积、重量和功耗更优；通过扫描棱镜投射到目标上的激光脚点轨迹呈现为抛物线，使该扫描方式更容易获取垂直立面的点云数据；且本棱镜具有比塔镜更大的视场角，可提高采集效率。
5.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
6.作为本实用新型的第一方面，本实用新型提供一种扫描用棱镜，所述棱镜上设有旋转轴以及相互平行的顶面与底面，所述旋转轴贯穿所述顶面与底面、并与所述顶面和底面分别垂直；所述顶面与底面分别为多边形，所述顶面的边数与底面的边数相同，且顶面的边与底面的边一一对应平行设置；所述顶面和底面之间相邻顶点连接组成的平面作为所述棱镜的工作面，所述工作面与旋转轴的夹角β范围为0
°
＜β＜90
°
。
7.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
8.优选的，所述旋转轴贯穿所述顶面与底面的几何中心。
9.优选的，所述顶面的较长边平行于底面的较短边，所述顶面的较短边平行于底面
的较长边，所述工作面为梯形。
10.优选的，所述顶面与底面分别为矩形，所述顶面的长边与底面的长边尺寸相等，所述顶面的短边与底面的短边尺寸相等。
11.优选的，所述工作面的数量n≥4。
12.优选的，所述工作面上设置有反射膜。
13.作为本实用新型的第三方面，本实用新型还提供一种棱镜扫描装置，包括上述的扫描用棱镜，还包括光源、驱动电机和安装基座，所述光源和驱动电机分别固定设置在安装基座上，所述棱镜的旋转轴与驱动电机的转子同轴设置且固定连接，所述光源朝向棱镜的工作面设置，且光源的光轴与旋转轴的夹角α范围为0
°
≤α≤90
°
。
14.作为本实用新型的第三方面，本实用新型还提供一种棱镜扫描装置，包括上述的扫描用棱镜，还包括光源、驱动电机、反射镜和安装基座，所述光源、反射镜和驱动电机分别固定设置在安装基座上，所述棱镜的旋转轴与驱动电机的转子同轴设置且固定连接，所述反射镜的反射面朝向所述光源以及所述棱镜的工作面设置，所述光源的出射光经反射镜反射后指向棱镜的工作面，所述光源的光轴与旋转轴的夹角α范围为0
°
≤α≤90
°
。
15.本实用新型的有益效果是：1.本实用新型的方案中，通过扫描棱镜投射到目标上的激光脚点轨迹呈现为抛物线，使该扫描方式更容易获取垂直立面的点云数据；2.与塔镜扫描方案相比，在工作面面积相同时，本方案扫描棱镜的体积、重量和转动惯量小，扫描装置整机的体积、重量和功耗更优； 3、在保证扫描组件的体积、重量最优的情况下，本方案的扫描棱镜的视场角更大，可提高采集效率。
附图说明
16.图1为塔镜扫描结构原理图；
17.图2为塔镜扫描的视场角示意图；
18.图3为本实用新型的扫描棱镜结构形态示意图，其中(a)为正面视图， (b)为立体视图；
19.图4为本实用新型特殊化后的扫描棱镜结构示意图，其中(a)为正面视图，(b)为立体视图；
20.图5为本实用新型特殊化后的扫描棱镜两组对称的工作面示意图；
21.图6为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为45
°
时，a与b工作面出射光路；
22.图7为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为45
°
时，c与d工作面出射光路；
23.图8为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为45
°
时，激光脚点轨迹线；
24.图9为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为90
°
时，a与b工作面出射光路；
25.图10为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为90
°
时，c与d工作面出射光路；
26.图11为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为90
°
时，激光脚点轨迹线；
27.图12为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为45
°
时，a与b工作面的视场角；
28.图13为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为45
°
时，c与d工作面的视场角；
29.图14为本实用新型中旋转轴与光轴夹角为90
°
时，棱镜旋转达到的视场角示意图；
30.图15为本实用新型实施例二中异形六棱柱体棱镜结构示意图；
31.图16为本实用新型实施例四中旋转轴与光轴夹角为0
°
时，棱镜的出射光路示意
图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、目标物，2、棱镜，3、工作面，4、旋转轴，5、系统基座，6、光源， 7、反射镜。
具体实施方式
34.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
35.实施例一：
36.如图3所示，本实施例提供一种扫描用棱镜，所述棱镜上设有旋转轴以及相互平行的顶面与底面，所述旋转轴贯穿所述顶面与底面、并与所述顶面和底面分别垂直；所述顶面与底面分别为多边形，所述顶面的边数与底面的边数相同，且顶面的边与底面的边一一对应平行设置；所述顶面和底面之间相邻顶点连接组成的平面作为所述棱镜的工作面，所述工作面与旋转轴的夹角β范围为0
°
＜β＜90
°
，通过调整顶面/底面的边长比例，即可调整工作面与旋转轴的夹角β。
37.在使用本实施例的棱镜进行扫描时，光源发出的激光射向棱镜的工作面，棱镜围绕旋转轴高速旋转，通过工作面的反射作用，将激光反射到目标物上，扫描装置的光电探测器接收到目标物的反射光，从而实现对目标物的扫描。
38.作为优选的方案，所述旋转轴贯穿所述顶面与底面的几何中心。当然，旋转轴也可不位于顶面与底面的几何中心。当采用本棱镜进行扫描时，旋转轴位于顶面与底面的几何中心，可使棱镜在旋转过程中转动惯量更小、运行更加平稳。
39.优选的，所述顶面的较长边平行于底面的较短边，所述顶面的较短边平行于底面的较长边，所述工作面为梯形。顶面的边与底面的边一一对应平行，形成用于反射扫描激光的平面，该平面即作为工作面。由于顶面与底面上相互平行的边尺寸不同，因此形成的工作面呈梯形。为了增强棱镜对激光的反射效果，所述工作面上设置有反射膜。
40.现结合附图对本实施例中棱镜的结构形态、各角度工作状态及其视场角分析原理进行说明。
41.一、棱镜的结构形态
42.本实施例的扫描棱镜结构形态见图3，其中(a)图为棱镜的正面视图， (b)图为棱镜的立体视图。扫描棱镜为异形四棱柱体，其顶面和底面均为矩形，顶面和底面互相平行，其四个侧面共同形成四个连续的梯形的工作面。顶面矩形的短边为a1，长边为b1；底面矩形的短边为a2，长边为b2。顶面短边a1与底面长边b2平行，顶面长边b1与底面短边a2平行。c为扫描棱镜的旋转轴。
43.为方便下文的讨论与计算，此处将扫描棱镜的结构形态及尺寸进一步特殊化，令：
44.1.扫描棱镜顶面矩形的长边b1与底面矩形长边b2的尺寸相等；
45.2.扫描棱镜顶面矩形的短边a1与底面矩形短边a2的尺寸相等；
46.3.顶面矩形和底面矩形的几何中心(对角线交点)均位于旋转轴c上。
47.特殊化处理后的扫描棱镜结构形态见图4，其中(a)图为棱镜的正面视图，(b)图为棱镜的立体视图。
48.在上述尺寸约束下，如图5所示，扫描棱镜的4个工作面由两组相互对称的面组成。
如图5所示，a面与b面为一组对称面，c面与d面为一组对称面，棱镜的每个工作面与旋转轴之间的夹角β相等，令该角度为5
°
。
49.二、光轴与棱镜旋转轴的夹角分析
50.本实施例中，光源输出激光的光轴与棱镜的旋转轴c之间夹角α的范围可以是：0
°
≤α≤90
°
。下文分别以45
°
和90
°
为例，介绍光源出射光与棱镜的布局关系，以及在该布局关系下的扫描脚点轨迹。
51.1、扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为45
°
52.当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为45
°
时，出射光路见图6与图 7，其中图6为a与b工作面出射光路，图7为c与d工作面出射光路。其中，1为目标物；2为扫描棱镜总成；3为棱镜的工作面；4为棱镜旋转轴； 5为系统基座，是系统光学器件的刚性支撑结构；6为光源，光源发出的激光，经过扫描棱镜的工作面反射后离开系统，指向被测目标。
53.通过计算机模拟，当光轴与扫描棱镜旋转轴之间夹角为45
°
时，扫描棱镜旋转一周，激光在平面目标上的脚点轨迹为两条抛物线。两条抛物线各自左右对称，且分布均匀，见图8。在装备随载体(例如无人机)前进时，该扫描方式相比于塔镜扫描方案更容易获取垂直立面的点云数据，该轨迹效果适合作为机载激光点云数据。
54.图8中的坐标系定义为：光源的出射方向与y轴负方向重合，“o”点为光轴与旋转轴交点向目标平面的投影。为显示方便，该轨迹点进行了抽稀处理，扫描棱镜每旋转5
°
给出一个采样点，并以
±
35
°
为界。将两条轨迹点的抛物线放在同一坐标系下，给出轨迹点的坐标。
55.设光源到目标平面的距离为100米，表1给出了棱镜的a与b工作面， c与d工作面轨迹点的x、y坐标值。
56.表1
[0057][0058]
2、扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为90
°
[0059]
当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为90
°
时，a与b工作面出射光路见图9，c与d工作面出射光路见图10。其中，1为目标物；2为扫描棱镜总成；3为扫描棱镜的工作面；4为扫描棱镜的旋转轴；5为系统基座，是系统光学器件的刚性支撑结构；6为光源，光源发出的
激光，经过扫描棱镜工作面反射后离开系统，指向被测目标。
[0060]
通过计算机模拟，当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为90
°
时，扫描棱镜旋转一周，激光在大地的脚点轨迹为两条对称且开口方向相反的抛物线。两条抛物线各自左右对称，且分布均匀，见图11。
[0061]
图11中的坐标系定义为：光源与xy平面垂直，扫描棱镜旋转轴与y轴重合，“o”点为光轴与目标平面的交点。为显示方便，该轨迹点进行了抽稀处理，扫描棱镜每旋转5
°
给出一个采样点，并以
±
30
°
为界。将两条轨迹点的抛物线放在同一坐标系的坐标原点下，给出轨迹点的坐标值。
[0062]
设光源到目标平面的距离为100米，表2给出了a与b工作面，c与d 工作面轨迹点的x、y坐标值。
[0063]
表2
[0064][0065]
三、扫描棱镜的视场角分析
[0066]
前述介绍了扫描棱镜旋转轴与光轴之间夹角为45
°
与90
°
时，激光在平面目标上的脚点轨迹，下文对这两种状态下的扫描视场角进行分析。
[0067]
当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为45
°
时，在光源的出射光与扫描棱镜同一个工作面的左右两侧棱边先后相切时，经过棱镜反射先后出现两条反射光。此时从正视于出射光方向看去，两条反射光之间的夹角即为视场角。如图12与13所示。其中，图12为a与b工作面的视场角，图13为c 与d工作面的视场角。当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为90
°
时，视场角如图14所示。
[0068]
由图12与图13可知，当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为45
°
时的视场角为：96
°
与117.4
°
。由图14可知，当扫描棱镜旋转轴与出射光轴之间夹角为90
°
时的视场角为：151.6
°
。对比图2的塔镜扫描视场角可知，在相同工作面数量下，本方案扫描棱镜的视场角大于塔镜扫描方案。
[0069]
综上所述，本方案相比于塔镜扫描方案，其主要具有以下优势：
[0070]
1.扫描棱镜投射到目标上的激光脚点轨迹呈现为抛物线，使该扫描方式更容易获取垂直立面的点云数据。
[0071]
2.在工作面面积相同时，本方案扫描棱镜的体积、重量和转动惯量小，产品整机的体积、重量和功耗更优；
[0072]
3.在保证扫描组件的体积、重量最优的情况下，本方案的扫描棱镜的视场角更大，可提高采集效率。
[0073]
实施例二：
[0074]
本实施例中，如图15中(a)和(b)所示的棱镜结构，本实施例中的棱镜采用为异形六棱柱体结构，所述顶面与底面分别为六边形，且至少一个六边形为不规则的六边形，顶面的六条边与底面的六条边一一对应平行，其六个侧平面共同形成六个连续的梯形的工作面。相比于六个工作面的塔镜扫描方案，本实施例同样具备以下优点：投射到目标上的激光脚点轨迹呈现为抛物线，由于每个工作面与旋转轴的夹角β可能并不相同，因此不同夹角β的工作面投射到目标上的激光脚点轨迹呈现为不同弧度的抛物线，相比于塔镜呈现的直线型脚点轨迹，本方案的扫描方式更容易获取垂直立面的点云数据；在工作面面积相同时，本方案扫描棱镜的体积、重量和转动惯量小，产品整机的体积、重量和功耗更优；扫描棱镜的视场角更大，可提高采集效率。
[0075]
同理的，作为进一步的扩展，棱镜的工作面还可以设置为其他数量，例如五个、七个
……
等。
[0076]
实施例三：
[0077]
在实施例一或实施例二的棱镜结构以及原理基础上，本实施例提供一种棱镜扫描装置，包括上述的扫描用棱镜，还包括光源、驱动电机和安装基座，所述光源和驱动电机分别固定设置在安装基座上，所述棱镜的旋转轴与驱动电机的转子同轴设置且固定连接，所述光源朝向棱镜的工作面设置，且光源的光轴与旋转轴的夹角α范围为0
°
≤α≤90
°
。
[0078]
光源用于提供扫描激光，驱动电机用于驱动棱镜进行高速旋转，安装基座用于为光源、驱动电机提供机构支撑。
[0079]
实施例四：
[0080]
在实施例三的基础上，本实施例还提供另外一种棱镜扫描装置，包括前述的扫描用棱镜，还包括光源、驱动电机、反射镜和安装基座，所述光源、反射镜和驱动电机分别固定设置在安装基座上，所述棱镜的旋转轴与驱动电机的转子同轴设置且通过系统基座固定连接，所述反射镜的反射面朝向所述光源以及所述棱镜的工作面设置，所述光源发出的出射光(脉冲激光)经反射镜反射后指向棱镜的工作面，经过扫描棱镜再次反射后到达被测目标物。所述光源的光轴与旋转轴的夹角α范围为0
°
≤α≤90
°
。如图16所示为该扫描装置的使用场景示例，图16中，1为目标物；2为扫描棱镜总成；3为棱镜的工作面；4为棱镜旋转轴；5为系统基座，是系统光学器件(棱镜) 的刚性支撑结构，用于将棱镜安装到驱动电机的转子上；6为光源，用于提供扫描所用的脉冲激光；7为反射镜，光源6发出的激光，经过反射镜7反射到扫描棱镜的工作面，经棱镜的工作面反射后离开系统，指向被测目标物1。
[0081]
本实施例中，如图16所示，可将扫描棱镜旋转轴与出射光轴平行布置，即将棱镜的旋转轴与光轴之间的夹角设置为0
°
，在光源前方布置反射镜，从光源发出的脉冲激光经过反射镜后到达扫描棱镜，经过扫描棱镜再次反射后到达被测目标物。反射镜的设置可进一步调整光源的光轴与棱镜的旋转轴之间的夹角α，例如将夹角α扩展到0
°
。反射镜的设置还可在不改变激光扫描系统的固有结构前提下，灵活调整激光光轴与工作面的入射角度。
[0082]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。