[发明专利]光学扫描传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学扫描传感器。

背景技术

测距型光学扫描传感器(一般称之为测距型激光雷达，Lidar)需要以固定的扫描频率(例如25Hz)完成对使用环境的一个或多个特定空间截面(平面截面或锥面截面)上的距离测量，基本的测量方法是“飞行时间”测量法，即在特定空间角度上发射激光光波，同时探测被在此空间角度上的目标表面反射的激光光波，计算激光光波从发射到被反射回来的飞行时间，通过时间-距离转换(Time-Distance-Conversion，TDC)得到距离值。所获取的原始测量数据为空间极坐标表示形式，以扫描传感器光学结构中的某个固定点(一般位于旋转扫描结构的旋转轴上)为坐标原点，空间角度有固定的分辨率(如0.5°)。在多数应用环境中，除对测量得到的距离值有着明确的精度要求外，对每次测量所处的二维空间角度也有着明确的精度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种紧凑型收发同轴光学扫描传感器，解决了传统的光学扫描测距装置在结构设计方面存在的若干问题。相较于传统的激光雷达，本发明在结构强度、小型化设计、全角度扫描能力和对从目标区域反射光的有效利用方面有着确切的优点。

本发明提供了一种光学扫描传感器。所述光学扫描传感器包括光源，发出发射光；投光单元，将发射光引向反射镜；偏转单元，包括反射镜和反射镜支架，所述反射镜将发射光偏转并引向目标区域以及将目标区域反射的光偏转并引向受光单元；受光单元，将目标区域反射的光引向光接收器；光接收器，接收受光单元引入的目标区域反射的光；旋转单元，包括旋转部件和驱动元件；透光罩，用于透过发射光和目标区域反射的光；角度编码器，用于记录反射镜角度信息；其中，所述透光罩为曲面透光罩，所述旋转部件为一中空部件，所述中空部件中间为一通孔，所述中空部件在驱动元件带动下绕其中心轴旋转，所述反射镜与旋转单元通过发射镜支架连接，所述投光单元包括基本投光单元，且基本投光单元和所述受光单元为收发同轴光学系统并位于所述反射镜同一侧，经所述反射镜偏转的目标区域反射的光经所述中空部件的通孔进入光接收器。所述基本投光单元和所述受光单元为收发同轴系统是 指基本投光单元与受光单元光轴重合，相对于传统的收发离轴系统，采用收发同轴系统可以减小光学测量盲区。所述偏转单元随所述中空部件在所述驱动元件的带动下绕所述中空部件的中心轴旋转。另外，上述中空部件可以是上下两部分，下部不旋转，上部可旋转并与反射镜支架相连。

本发明所述曲面透光罩为包含发射光及从目标区域反射的光的透过窗口的透明壳体。所述曲面透光罩的内外表面是中心轴对称的旋转曲面，其旋转轴即为同轴收发系统的光轴，也是旋转单元的旋转轴。其母线是经光学优化的曲线，优选地为圆弧线或抛物线。曲面透光罩对从目标区域反射的光起到汇聚作用，与传统的平面、锥面透光罩相比，能使更多的反射光被光接收器接收，提高了测量能力。其原因概述如下：

1)对远距离目标的测量能力由受光组件接收到的目标反射光的能量决定。由于能够进入受光组件的远距离目标的反射光近似于平行光，且空间能量密度基本一致，因此，对于确定受光截面形状(例如圆形)的受光组件，反射光能量正比于测距系统透光罩的外部有效通光面积，在此面积范围内的远距离目标反射光能够通过透光罩后最终进入受光组件；

2)对于厚度一致的平面透光罩，有效通光面积等于受光组件的有效受光面积；

3)对于厚度一致的锥面透光罩，其垂直剖面为平行四边形，有效通光口径等于受光组件的有效光学口径；其水平剖面为圆形，对远距离目标的近似平行反射光有汇聚作用，有效通光口径大于受光组件的有效光学口径；因此，其有效通光面积大于受光组件的有效通光面积；

4)对于厚度一致的球面透光罩，其垂直剖面是圆的一部分，优选地为半圆形，水平剖面为圆形，对远距离目标的近似平行反射光都有汇聚作用，因此两个方向上的有效通光口径都大于受光组件的有效光学口径，且其上部的半径更小，曲率更大，汇聚作用更为明显，相对而言，锥面透光罩的上部半径更大，曲率更小，汇聚作用相对较弱；球面透光罩的有效通光面积大于锥面透光罩的有效通光面积；因此，球面透光罩使受光组件能够接收到更多的反射光能量，相对于锥面透光罩而言，提高了测距系统的量程。

5)进一步地，透光罩的外部曲面和内部曲面可以设计成不同的曲面，使其通光窗口处的截面更接近于凸透镜，对远距离目标的近似平行反射光的汇聚效果更强，进一步提高有效受光面积，增大测距量程。

进一步地，所述中空部件的中心轴和所述基本投光单元以及所述受光单元的光轴重合。