一种激光扫描装置及其激光雷达、无人机或智能车

技术领域

本发明涉及三维激光扫描领域，特别是涉及一种激光扫描装置及其激光雷达、无人机或智能车。

背景技术

激光扫描装置是激光雷达装置的核心光机结构，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，结构简洁高效的扫描装置是产业中迫切需要的。同时，能够降低部件数量，降低成本是亟待解决的问题。

特别是，适用于适用于较大垂直视场角、便于利用较少光源获得数量更多扫描线，较高分辨率，精度高，低功耗的扫描方式能够适配于多种便于落地的实用场景，贴合产业需求，也是本领域技术人员关注的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种激光扫描装置的核心光机结构的实现方式。

更进一步的，提供一种光源少、分辨率高的激光扫描方式。

更进一步的，提供一种光路性能更优化、精度更高的激光扫描方式。

更进一步的，提供一种适用于较大垂直视场角的扫描方式。

更进一步的，提供一种具有低功耗的扫描方式。

本发明公开了一种激光扫描装置，该激光扫描装置包括：

扫描镜组件，围绕一旋转轴旋转，该扫描镜组件具有四个扫描镜面，每个扫描镜面相对该旋转轴的夹角角度不完全相同，在垂直于该旋转轴的剖面上，该四个扫描镜面中相邻的扫描镜面的剖面线彼此垂直；

线形激光光源，经由该四个扫描镜面中的第一扫描镜面出射线形激光信号；

多个激光接收单元，该多个激光接收单元经由该四个扫描镜面中的第二扫描镜面接收该线形激光信号的回波信号；

其中，该线形激光光源发出的线形激光信号所在平面与该多个激光接收单元接收的回波信号所组成的平面相互平行或为同一平面。

该第一扫描镜面与该第二扫描镜面为相邻扫描镜面。

该线形激光信号在一参考面上的投影的延伸方向与该旋转轴平行，该参考面位于该旋转轴与该线形激光光源之间，该参考面平行于该旋转轴。

该激光扫描装置包括：

多个线形激光光源，每个线形激光光源均对应设置有多个激光接收单元，不同线形激光光源所对应的激光接收单元的数量相同或不同，该多个线形激光光源设置在该激光扫描装置的视场的同一侧或不同侧。

该多个线形激光光源在不同时刻发射线形激光信号。

该多个线形激光光源沿该旋转轴延伸方向排列，或者，该多个线形激光光源沿该旋转轴延伸方向的垂直方向排列。

该多个激光接收单元沿该旋转轴延伸方向依次排列。

同一该激光接收单元能够接收来自不同线形激光光源的回波信号。

根据该线形激光光源当前所投射的扫描镜面，该多个激光接收单元的其中一部分被使能。

在平行于扫描轴方向，每个该激光接收单元经由第二扫描镜面产生的接收视场包含于该线形激光光源经由该第一扫描镜面产生的发射视场。

其中(β

该线形激光光源包括激光器以及光束整形模块，该光束整形模块为光纤或微透镜或衍射元件。

本发明还公开了一种激光雷达，设置有所述的激光扫描装置。

本发明还公开了一种智能车或无人机，设置有所述的激光雷达。

本发明提供了一种激光扫描装置的核心光机结构的实现方式，利用较少的线形激光光源，实现基于扫描镜面夹角不完全相同的扫描镜组件的激光扫描，提升了分辨率。发射光路与接收光路相互隔离，避免了线形激光信号与回波信号的相关干扰，提升了信号采集的精度。另外，本发明可适用于较大垂直视场角，同时还具有较低功耗。

附图说明

图1所示为本发明的激光扫描装置的结构示意图。

图2所示为本发明的扫描镜组件的结构示意图。

图3A、3B、3C所示为本发明的扫描镜组件的扫描镜面示意图。

图4所示为本发明的激光扫描装置的俯视结构示意图。

图5A、5C、5D所示为本发明的激光扫描装置的结构示意图。

图5B所示为线形激光光源11与激光接收单元12的视场等效示意图。

图6、7所示为本发明的激光扫描装置的结构示意图。

图8所示为本发明的激光器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

本发明公开一种激光扫描装置，如图1所示为本发明的激光扫描装置的结构示意图。图2所示为本发明的扫描镜组件的结构示意图。

该激光扫描装置100包括线形激光光源11、多个激光接收单元12、扫描镜组件20。

该扫描镜组件20围绕一旋转轴O旋转。本发明的激光光源采用线形，该线形激光光源11发出线形激光信号L并经该扫描镜组件的转动产生发射视场，该线形激光信号L具有特定发散角。如图2所示,该扫描镜组件20具有四个扫描镜面I、II、III、IV，每个扫描镜面具有法线F。而四个扫描镜面相对该旋转轴O的夹角α的角度不完全相同。

如图3A-3C所示，为扫描镜面的结构示意图。如图3C所示为扫描镜面23与扫描轴O平行，则扫描镜面23与扫描轴O的夹角α为0度。如图3A所示为扫描镜面21相对扫描轴O具有夹角α，如图所示为扫描镜面21的法线相对图3C所示顺时针旋转，该α取负值，如图3B所示为扫描镜面22相对扫描轴O具有夹角α，如图所示为扫描镜面22的法线相对图3C所示逆时针旋转，该α取正值。夹角α的具体度数可根据需求设置。

该四个扫描镜面的夹角α的角度数值可以各不相同，也可以其中两个或三个扫描镜面的夹角α的角度相同。在垂直于该旋转轴的剖面上的，该四个扫描镜面的剖面线中相邻的扫描镜面的剖面线彼此垂直，如图4所示。

如图4所示为本发明的激光扫描装置的俯视图。该多个激光接收单元12接收由同一线形激光光源11所发出的线形激光信号L的回波信号R。也就是说，该线形激光光源11发出线形激光信号经由该扫描镜组件20的转动而出射至环境中，遇障碍物阻挡返回后，经由该扫描镜组件20的反射而被多个激光接收单元12共同接收。

线形激光信号L包括投射至扫描镜组件20的第一扫描镜面的线形激光信号L1以及由扫描镜组件20的第一扫描镜面反射出去的线形激光信号L2。

回波信号R包括投射至扫描镜组件20的第二扫描镜面的回波信号R2以及由扫描镜组件20的第二扫描镜面反射至激光接收单元12的回波信号R1。该第一扫描镜面与该第二扫描镜面为相邻扫描镜面。随着扫描镜组件20的旋转，扫描镜面I、II、III、IV可依次成为第一扫描镜面，也可依次成为第二扫描镜面。该线形激光光源发出的线形激光信号L1所在平面与该多个激光接收单元接收的回波信号R1所组成的平面相互平行或为同一平面。

其中，随着扫描镜组件20的旋转，线形激光信号L2始终与回波信号R2平行,形成平行光路。

以旋转轴O为Z轴建立坐标系，Y轴方向为该激光扫描装置100的主光轴方向。参考面E位于该旋转轴O与该线形激光光源11之间，该参考面平行于该旋转轴。该线形激光信号在该参考面E上的投影的延伸方向D与该旋转轴O在同一平面内，或者，延伸方向D与该旋转轴O平行，从而使得回波信号的延伸方向也与旋转轴O平行。该多个激光接收单元也沿该旋转轴延伸方向依次排列。从而使得激光接收单元的接收视场与线形激光光源的发射视场相对应。

另外，由于每个扫描镜面的夹角不同，使得线形激光光源对应每个扫描镜面产生的线形激光信号L2的反射方向不同，则发射视场在Z轴方向上位置不同，往复移动，进而利用同一线形激光光源就可对应加倍扫描线数量，提升分辨率。如果四个扫描镜面的夹角均不同，即存在四种夹角，则其产生的扫描线数量可为四个扫描镜面夹角均相同的四倍，如果存在三种夹角，则为三倍，以此类推。

由于在扫描镜组件旋转的过程中,发射视场的位置是变化的，则对多个激光接收单元的设置方式提出了要求，需使得多个激光接收单元能够接收到回波信号，发射视场与接收视场相匹配。

在第一实施例中，对应同一线形激光光源的所有激光接收单元，在对应每个扫描镜面时，均可接收到该线形激光光源的回波信号，即，在平行于扫描轴O方向(Z方向)，每个该激光接收单元经由第二扫描镜面产生的接收视场包含于该线形激光光源经由该第一扫描镜面产生的发射视场。

参考图5A所示，本实施例中，每个线形激光光源11对应三个激光接收单元12，该多个激光接收单元12各自具有一段接收视场以及实际接收视场。激光接收单元12至扫描镜面这一段对应的视场为实际接收视场，回波信号R2照射至扫描镜面这一段的视场为接收视场。

具体来说，如图4所示，线形激光光源11通过扫描镜面I出射线形激光信号，激光接收单元12通过扫描镜面IV接收回波信号。

随着扫描镜组件20的旋转，总是由相邻的两个扫描镜面分别对发射端和接收端的信号进行反射。线形激光信号L2在xy平面内的视场范围在L2’与L2”之间。回波信号R2与线形激光信号L2总是平行，在xy平面内的视场范围在R2’与R2”之间。

在YZ平面内，激光接收单元12具有一段实际接收视场，接收视场经不同扫描镜面的反射，最终均反射形成该实际接收视场，即Z方向上，激光接收单元12对应每个扫描镜面的接收视场不同，但对应同一实际接收视场。

为了成功完成发射与对应的接收，线形激光光源11的发射视场与对应的激光接收单元的接收视场对应的是周围环境中的同一片视场范围，通常来说，接收视场包含于发射视场之中。

如图4所示，扫描镜面I相对旋转轴O具有夹角α

如图5B所示，为线形激光光源11与激光接收单元12的视场等效示意图。线形激光光源11的发射视场与激光接收单元12的接收视场针对的是激光雷达的探测环境中的同一片区域。

在以旋转轴O为z轴的三维坐标系下，(θ

(β

线形激光光源11与激光接收单元12的位置同时符合以下公式。

当第一扫描镜面为扫描镜面I，第二扫描镜面为扫描镜面IV时，线形激光光源11与激光接收单元12的位置符合公式(1)：

当第一扫描镜面为扫描镜面II，第二扫描镜面为扫描镜面I时，线形激光光源11与激光接收单元12的位置符合公式(2)：

当第一扫描镜面为扫描镜面III，第二扫描镜面为扫描镜面II时，线形激光光源11与激光接收单元12的位置符合公式(3)：

当第一扫描镜面为扫描镜面IV，第二扫描镜面为扫描镜面III时，线形激光光源11与激光接收单元12的位置符合公式(4)：

如此，使得不论不同扫描镜面对接收视场、发射视场如何调整，对应同一线形激光光源的激光接收单元12的接收视场均落入线形激光光源的发射视场中，实现了发射、接收在扫描镜组件两侧分立设置。在优选的实施例中，对应同一线形激光光源的不同激光接收单元12的接收视场依次邻接，使得总接收视场尽可能扩大。

本实施例的线形激光光源与激光接收单元位于该扫描镜组件20的两侧，使得发射光路与接收光路相互隔离，避免了线形激光信号与回波信号的相关干扰，光路性能更优化，且提升了信号采集的精度。

特别是建立了在各扫描镜面夹角不同、提升了分辨率的前提下，仍能实现发射端与接收端分立扫描镜组件两侧的核心架构，以同一简约设计，提升系统性能与效率。

在现有技术中利用点光源无法实现在各扫描镜面夹角不同且发射端与接收端利用不同扫描镜面进行收发的条件下的扫描，而本发明利用线光源，实现了即使各扫描镜面对接收、发射视场产生调整，激光接收单元12依然可以实现信号有效接收，实现扫描，同时光源数量少，功耗低。

本实施例的各个激光接收单元无冗余，可满负荷工作，部件效率高，降低了所需设置的部件的数量，降低了成本。

该激光扫描装置100还可包括有多个线形激光光源11，每个线形激光光源对应设置有多个激光接收单元12，不同线形激光光源所对应的激光接收单元的数量可以相同或不同。

如图5A所示，该激光扫描装置100包括有两个线形激光光源11，每个线形激光光源对应设置有三个激光接收单元12。该多个线形激光光源在不同时刻发射线形激光信号。每个线形激光光源11由预先明确指定的激光接收单元12进行对应接收。如图5A中第一个线形激光光源11对应前三个激光接收单元12，第二个线形激光光源11对应后三个激光接收单元12。

在第二实施例中，对应同一线形激光光源11的多个激光接收单元12可以通过数量冗余来对应接收不同扫描镜面所对应的回波信号。即，由于各个扫描镜面的夹角α存在不同，则各个扫描镜面对应的回波信号会在旋转轴O延伸方向上占据不同位置，特别是发射端与接收端对应的扫描镜面不同，夹角α可以不同，对线形激光信号L1和实际接收视场的光路调节程度可以不同，故而，沿旋转轴O延伸方向设置的多个激光接收单元中可能仅有一部分，位于当前回波信号的覆盖范围内，故而可根据该线形激光光源当前所投射的扫描镜面，对该多个激光接收单元的其中一部分使能，从而提高效率。

如图5C所示，以一个线形激光光源11为例，本例中线形激光光源11对应四个激光接收单元12，图中虚线部分所涵盖部分对应一个扫描镜面所产生的回波信号，覆盖上三个激光接收单元12，图中实线部分所涵盖部分对应另一个扫描镜面所产生的回波信号，覆盖下三个激光接收单元12。可见同一激光接收单元能够接收来自同一线形激光光源经由不同扫描镜面而产生的回波信号，例如图5C的第二或第三个激光接收单元。则随着扫描镜组件20的旋转，根据该线形激光光源11当前所投射的扫描镜面，该多个激光接收单元12的其中一部分被使能，即当由第一个扫描镜面产生回波信号时，第一、二、三激光接收单元被使能，当由第二个扫描镜面产生回波信号时，第二、三、四激光接收单元被使能。

本发明通过在一组收发单元中，一个线形激光光源对应多个激光接收单元的方式，改变了原先一个激光发射单元对应一个激光接收单元的方式，从而降低了线形激光光源的数量，降低了成本，利用较少的线形激光光源实现了激光扫描。通过扫描镜面的夹角不同，还可以利用较低的线形激光光源的数量，使得激光扫描装置能够产生的扫描线的数量增加，提升分辨率。

如图1所示，该线形激光光源11与对应的该多个激光接收单元12设置在该激光扫描装置的视场的两侧，也就是设置在该扫描镜组件20的两侧。利用该扫描镜组件20作为隔离装置，使得该线形激光光源11发出线形激光信号不会直接入射至该激光接收单元12，实现了光路隔离，提高了数据采集的精确度。

在第三实施例中，同一该激光接收单元12能够接收来自不同线形激光光源11的回波信号。如图5D所示为五个激光接收单元12对应两个线形激光光源11，其中一个激光接收单元12可在不同时刻，接收不同线形激光光源11的回波信号。

如图5A所示的该多个线形激光光源11设置在该激光扫描装置的视场的同一侧，该多个线形激光光源11也可以设置在该激光扫描装置的视场的不同侧，如图6、7所示。

图6中与同一个线形激光光源11对应的多个激光接收单元12聚集在一起设置，与同一侧的线形激光光源具有一定间距。图7中与同一个线形激光光源11对应的多个激光接收单元12与同一侧的线形激光光源混杂在一起设置，即，图7中右侧线形激光光源11发出的信号由左侧三个激光接收单元12共同接收，图7中左侧线形激光光源11发出的信号由右侧三个激光接收单元12共同接收。激光接收单元12的排布方式可根据需求设置。该激光接收单元的接收面设置有光阑，以消除杂散光。

所设置的该多个线形激光光源可在不同时刻发射激光信号。也就是说，同一时刻只有一个线形激光光源发射激光信号，从而避免了多个线形激光光源同时发射所可能造成的接收数据相互干扰，识别混乱。

如图5A、5D可知，该多个线形激光光源11沿该旋转轴O延伸方向依次排列。该多个激光接收单元沿该旋转轴O延伸方向依次排列，通过每个线形激光光源11对应视场的依次邻接，本发明的激光扫描装置可以获得较大垂直视场角。在另一实施例中，该多个线形激光光源也可沿该旋转轴延伸方向的垂直方向排列。

该线形激光光源11用于产生线形激光信号。如图8所示为该线形激光光源11的结构示意图。具体来说，该线形激光光源11包括激光器111以及光束整形模块112。该激光器111面向该光束整形模模块112发出激光信号，该光束整形模模块112对该激光信号进行整形，形成线形激光信号。该光束整形模模块112为光纤或微透镜或衍射元件。本发明通过将同一激光器发出的点光源转换为线形激光信号，使得该激光器发出的能量进行了精细化的空间分布，同时具有较低的功耗。

本发明还公开了一种激光雷达，该激光雷达设置有上述激光扫描装置。

本发明还公开了一种智能车，设置有上述的激光雷达。

本发明还公开了一种无人机，设置有上述的激光雷达。

本发明提供了一种激光扫描装置的核心光机结构的实现方式，利用较少的线形激光光源，实现基于扫描镜面夹角不完全相同的扫描镜组件的激光扫描，提升了分辨率。发射光路与接收光路相互隔离，避免了线形激光信号与回波信号的相关干扰，提升了信号采集的准确度。另外，本发明可适用于较大垂直视场角，同时还具有较低功耗。

上述实施例仅为实现本发明的示例性描述，而不用以限制本发明的保护范围，本领域的技术人员可据以做出各种明显变形以及等同替换的技术方案，皆涵盖于本发明的公开范围内，本发明的保护范围请参阅后附权利要求书中记载为准。