[發明專利]光學掃描傳感器

在審

• 申請號: 201610408171.7
• 申請日: 2016-06-12
• 公開（公告）號: CN107490792A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 李毅;周澤明
• 申請（專利權）人: 北京飛思邁爾光電科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 上海集信知識產權代理有限公司31254
• 代理人: 洪玲

技術領域

本發明涉及一種光學掃描傳感器。

背景技術

測距型光學掃描傳感器(一般稱之為測距型激光雷達，Lidar)需要以固定的掃描頻率(例如25Hz)完成對使用環境的一個或多個特定空間截面(平面截面或錐面截面)上的距離測量，基本的測量方法是“飛行時間”測量法，即在特定空間角度上發射激光光波，同時探測被在此空間角度上的目標表面反射的激光光波，計算激光光波從發射到被反射回來的飛行時間，通過時間-距離轉換(Time-Distance-Conversion，TDC)得到距離值。所獲取的原始測量數據為空間極坐標表示形式，以掃描傳感器光學結構中的某個固定點(一般位于旋轉掃描結構的旋轉軸上)為坐標原點，空間角度有固定的分辨率(如0.5°)。在多數應用環境中，除對測量得到的距離值有著明確的精度要求外，對每次測量所處的二維空間角度也有著明確的精度要求。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種緊湊型收發同軸光學掃描傳感器，解決了傳統的光學掃描測距裝置在結構設計方面存在的若干問題。相較于傳統的激光雷達，本發明在結構強度、小型化設計、全角度掃描能力和對從目標區域反射光的有效利用方面有著確切的優點。

本發明提供了一種光學掃描傳感器。所述光學掃描傳感器包括光源，發出發射光；投光單元，將發射光引向反射鏡；偏轉單元，包括反射鏡和反射鏡支架，所述反射鏡將發射光偏轉并引向目標區域以及將目標區域反射的光偏轉并引向受光單元；受光單元，將目標區域反射的光引向光接收器；光接收器，接收受光單元引入的目標區域反射的光；旋轉單元，包括旋轉部件和驅動元件；透光罩，用于透過發射光和目標區域反射的光；角度編碼器，用于記錄反射鏡角度信息；其中，所述透光罩為曲面透光罩，所述旋轉部件為一中空部件，所述中空部件中間為一通孔，所述中空部件在驅動元件帶動下繞其中心軸旋轉，所述反射鏡與旋轉單元通過發射鏡支架連接，所述投光單元包括基本投光單元，且基本投光單元和所述受光單元為收發同軸光學系統并位于所述反射鏡同一側，經所述反射鏡偏轉的目標區域反射的光經所述中空部件的通孔進入光接收器。所述基本投光單元和所述受光單元為收發同軸系統是 指基本投光單元與受光單元光軸重合，相對于傳統的收發離軸系統，采用收發同軸系統可以減小光學測量盲區。所述偏轉單元隨所述中空部件在所述驅動元件的帶動下繞所述中空部件的中心軸旋轉。另外，上述中空部件可以是上下兩部分，下部不旋轉，上部可旋轉并與反射鏡支架相連。

本發明所述曲面透光罩為包含發射光及從目標區域反射的光的透過窗口的透明殼體。所述曲面透光罩的內外表面是中心軸對稱的旋轉曲面，其旋轉軸即為同軸收發系統的光軸，也是旋轉單元的旋轉軸。其母線是經光學優化的曲線，優選地為圓弧線或拋物線。曲面透光罩對從目標區域反射的光起到匯聚作用，與傳統的平面、錐面透光罩相比，能使更多的反射光被光接收器接收，提高了測量能力。其原因概述如下：

1)對遠距離目標的測量能力由受光組件接收到的目標反射光的能量決定。由于能夠進入受光組件的遠距離目標的反射光近似于平行光，且空間能量密度基本一致，因此，對于確定受光截面形狀(例如圓形)的受光組件，反射光能量正比于測距系統透光罩的外部有效通光面積，在此面積范圍內的遠距離目標反射光能夠通過透光罩后最終進入受光組件；

2)對于厚度一致的平面透光罩，有效通光面積等于受光組件的有效受光面積；

3)對于厚度一致的錐面透光罩，其垂直剖面為平行四邊形，有效通光口徑等于受光組件的有效光學口徑；其水平剖面為圓形，對遠距離目標的近似平行反射光有匯聚作用，有效通光口徑大于受光組件的有效光學口徑；因此，其有效通光面積大于受光組件的有效通光面積；

4)對于厚度一致的球面透光罩，其垂直剖面是圓的一部分，優選地為半圓形，水平剖面為圓形，對遠距離目標的近似平行反射光都有匯聚作用，因此兩個方向上的有效通光口徑都大于受光組件的有效光學口徑，且其上部的半徑更小，曲率更大，匯聚作用更為明顯，相對而言，錐面透光罩的上部半徑更大，曲率更小，匯聚作用相對較弱；球面透光罩的有效通光面積大于錐面透光罩的有效通光面積；因此，球面透光罩使受光組件能夠接收到更多的反射光能量，相對于錐面透光罩而言，提高了測距系統的量程。

5)進一步地，透光罩的外部曲面和內部曲面可以設計成不同的曲面，使其通光窗口處的截面更接近于凸透鏡，對遠距離目標的近似平行反射光的匯聚效果更強，進一步提高有效受光面積，增大測距量程。

進一步地，所述中空部件的中心軸和所述基本投光單元以及所述受光單元的光軸重合。