一种多面体转镜及激光雷达扫描系统的制作方法

1.本发明涉及激光雷达扫描技术领域，具体为一种多面体转镜及激光雷达扫描系统。


背景技术：

2.激光雷达是一种能主动收发激光的测量装置，主要用来测量目标物和激光雷达之间的距离，具有探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强等优点，被广泛地运用于智能驾驶、无人机等领域。激光雷达通常包括四个系统：激光发射系统、激光接收系统、信息处理系统以及激光扫描系统。其中激光扫描系统的作用是将由激光发射系统发出的激光光线以稳定的转速旋转起来，实现对激光雷达所在空间的扫描，产生实时的空间信息。
3.现有的激光雷达扫描系统主流方案是由激光光源、准直器和两块旋转方向互相垂直的转镜组成，激光光源发出的光线依次经过两块转镜的反射，同时由于两块转镜的旋转方向是互相垂直的，这样两块转镜互相配合转动，即可实现光线在空间中水平方向和竖直方向的扫描。
4.其主要缺陷在于扫描效率的不足，即需要两块反射镜转动才能使一个点光源在水平和竖直方向上扫满整幅画面。除此之外，两块转镜及各自附带的驱动电机也不利于系统整体体积、重量等参数的优化。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种多面体转镜及激光雷达扫描系统，解决了现有扫描系统扫描效率的不足，体积、重量较大的问题。
6.本发明是通过以下技术方案来实现的。
7.本发明公开了一种多面体转镜，包括转镜主体以及支撑转镜主体旋转的旋转轴，转镜主体是一个不规则六面体，转镜主体上下两端为分别为顶面和底面，所述顶面和所述底面互相平行，旋转轴穿过所述顶面和所述底面的中心，旋转轴贯穿转镜主体的几何中心，所述顶面和所述底面之间是四个反射面，四个反射面为前后对称的梯形端面，左右对称的倒置端面，四个反射面与底面成一定夹角，其中前后对称的梯形端面与底面的夹角小于90度，并且前后两端的梯形端面分别向前侧和后侧倾斜，左右对称的倒置端面与底面的夹角大于90度，并且左右两端的倒置端面分别向右侧和左侧倾斜。
8.还公开了使用该多面体转镜的一种激光雷达扫描系统，包含激光器线阵、激光器驱动单元、准直透镜、多面体转镜、多面体转镜驱动单元、多面体转镜状态反馈单元。
9.进一步地，激光器线阵位于准直透镜前方的物方焦平面上，激光器线阵由多个激光器组合而成，多面体转镜位于准直透镜后方。
10.进一步地，激光器驱动单元用于驱动激光器线阵中的激光器；
11.激光器线阵中每个激光器可以被驱动单元驱动发出激光；
12.多面体转镜驱动单元驱动多面体转镜绕转镜旋转轴匀速旋转，旋转方向与激光器
线阵排列方向垂直；
13.多面体转镜状态反馈单元则用于获取转镜旋转的位置和速度，并将这些信息反馈至激光器驱动单元，用于控制激光器线阵的出光情况。
14.进一步地，激光雷达扫描系统的使用步骤为：
15.s1转镜驱动单元开始运行，带动转镜以预设速度开始旋转；
16.s2转镜状态反馈单元获取转镜旋转位置及速度信息，并将其反馈至激光器线阵驱动转动位置信息单元；
17.s3激光器线阵驱动单元驱动激光器发光。
18.本发明的有益效果：本发明设计的激光雷达的扫描系统，采由线阵光源、准直透镜和转镜构成，只用了一个扫描元件实现线阵扫描，具有更高的扫描效率，该激光雷达扫描系统使用的带倾角多面体转镜设计，主要在于多面体转镜的反射面个数为偶数，反射面与多面体旋转轴成一定角度，相对的两个反射面与旋转轴所成角度相等，明显减少了转镜使用的个数，有利于降低整个系统的体积、重量；并且激光雷达扫描系统采用本发明提出的带倾角多面体转镜方案，可以在不增加激光器数量的前提下进一步提升扫描分辨率和视场角。
附图说明
19.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明的多面体转镜的结构示意图；
21.图2是本发明的多面体转镜的俯视图；
22.图3是本发明的激光雷达系统示意图；
23.图4是本发明的激光雷达系统使用步骤示意图；
24.图5是未带倾斜角度的多面体转镜的激光扫描系统示意图；
25.图6是未带倾斜角度的多面体转镜的激光扫描系统的点云示意图；
26.图7是本发明带倾斜角度的多面体转镜的激光扫描系统示意图；
27.图8是本发明带倾斜角度的多面体转镜旋转后的激光扫描系统示意图；
28.图9是本发明带倾斜角度的多面体转镜的激光扫描系统的点云示意图。
具体实施方式
29.下面结合图1-9对本发明进行详细说明，其中，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1本身投影关系的上下左右前后方向一致。
30.在一般实施例中，结合附图1-2所述的一种多面体转镜，包括转镜主体10以及支撑转镜主体10旋转的旋转轴40，转镜主体10是一个不规则六面体，转镜主体10上下两端为分别为顶面41和底面44，所述顶面41和所述底面44互相平行，顶面41和底面44对光线无作用，旋转轴40穿过所述顶面41和所述底面44的中心，旋转轴40贯穿转镜主体10的几何中心，所述顶面41和所述底面44之间是四个反射面，四个反射面用于将照射到转镜主体10上的光线反射到激光雷达外部，四个反射面为前后对称的梯形端面42，左右对称的倒置端面43，四个
反射面与底面成一定夹角，其中前后对称的梯形端面42与底面的夹角小于90度，并且前后两端的梯形端面42分别向前侧和后侧倾斜，左右对称的倒置端面43与底面的夹角大于90度，并且左右两端的倒置端面43分别向右侧和左侧倾斜，相对的两个反射面与底面的夹角相等是为了保证转镜的对称性，从而保证转镜的旋转稳定性。
31.一方面，相邻的梯形端面42与倒置端面43与底面之间的夹角可以互补以保证在竖直方向扫描视场的对称性，在另一方面为了满足一些特殊需求让两个倾角不互补。
32.当多面体转镜绕旋转轴40旋转时即可实现光线在空间中的扫描。
33.一种激光雷达扫描系统，如图3-4，激光雷达扫描系统包括包含激光器线阵11、激光器驱动单元14、准直透镜12、多面体转镜13、多面体转镜驱动单元15、多面体转镜状态反馈单元16。
34.激光器线阵11、准直透镜12，多面体转镜13依次排列。
35.激光器线阵11由多个激光器组合而成，激光器驱动单元14用于驱动激光器线阵11中的激光器，激光器线阵11与激光器驱动单元14集成为一体，激光器线阵中每个激光器可以被驱动单元驱动发出激光，激光器驱动单元14的安装位置应选为能够控制激光器线阵中各个激光器的有利位置。
36.激光器线阵11位于准直透镜前方的物方焦平面上，以达到准直透镜可将激光器发出的激光准直后沿不同方向发射。
37.多面体转镜13位于准直透镜后方，多面体转镜13被多面体转镜驱动单元15驱动绕旋转轴40匀速旋转，旋转方向与激光器线阵排列方向垂直，经过多面体转镜13反射面的反射，即可以将激光光束反射到激光雷达外部，用于扫描整个空间，多面体转镜13通过旋转轴40安装在多面体转镜驱动单元15，多面体转镜驱动单元15通过控制旋转轴40的旋转速度以及方向，进而控制多面体转镜13的旋转速度和方向。
38.多面体转镜状态反馈单元16连接在激光器驱动单元14与多面体转镜驱动单元15之间，多面体转镜状态反馈单元16用于多面体转镜13旋转的位置和速度，并将这些信息反馈至激光器驱动单元14，用于控制激光器线阵11的出光情况。
39.激光雷达扫描系统的使用步骤为：
40.s1转镜驱动单元开始运行，带动转镜以预设速度开始旋转；
41.s2转镜状态反馈单元获取转镜旋转位置及速度信息，并将其反馈至激光器线阵驱动转动位置信息单元；
42.s3激光器线阵驱动单元驱动激光器发光。
43.具体使用方式为在步骤1中，多面体转镜驱动单元15开始通电运行，带动多面体转镜13以预设速度开始旋转。转镜驱动单元可以选择为旋转电机，将转镜套于电机转轴上，并保证电机转轴与转镜旋转轴的中心线重合，这样即可实现转镜以预设的转速旋转。在步骤2中，转镜状态反馈单元获取转镜旋转位置及速度信息，并将其反馈至激光器线阵驱动转镜位置信息单元。转镜状态反馈单元可选择光编码盘或者霍尔传感器等方式实现，转镜状态反馈单元与转镜驱动单元相连接，用于监测转镜旋转状态，同时转镜状态反馈单元也与激光器线阵驱动单元相连接，根据转镜状态反馈单元获取转镜旋转位置及速度信息控制驱动激光器的出光，激光器线阵11发出的激光通过准直透镜12到达多面体转镜13，多面体转镜13旋转从而实现光线在空间中的扫描。
44.该扫描系统在水平方向的扫描视场角和分辨率取决于激光器出光持续时间与转镜转速，时间越长、转速越快，则水平方向的扫描视场角和分辨率越高。竖直方向的扫描视场角和分辨率则取决于激光器数量和覆盖范围，激光器数量越多，在竖直方向上覆盖的范围越大，则竖直方向的扫描视场角和分辨率越高。
45.在激光扫描系统中，带倾斜角度的多面体转镜相比于不带倾斜角度的多面体转镜是有明显优势的，具体如下：
46.未带倾斜角度的多面体转镜的激光扫描系统如图5-6所示：
47.点云中每一列均有三个点对应着激光器线阵11中的三个激光器。此时竖直方向上扫描视场角为-f
°
～f
°
，扫描角分辨率为2f/3
°
。
48.图6所示的点云示意图中，为提高竖直方向的分辨率和视场角的提高则需要增加激光器数目，但是过多的激光器数目也会导致系统功耗高。
49.带倾斜角度的多面体转镜的激光扫面系统，如图7-9所示：
50.如图7所示，当激光器线阵51发出的光线经准直透镜52作用后照射至带倾角转镜53的反射面532上，由于此时反射面为向下倾斜，与顶面夹角为a，经该面反射后，相较于图1所示的扫描系统，根据光学反射规律，在竖直方向上(垂直于转镜底面和顶面530的方向)反射光线会向下偏移2a角度，此时竖直方向上扫描视场角为(-f-2a)
°
～(f-2a)
°
，扫描角分辨率为2f/3
°
。
51.带倾斜角转镜绕旋转轴531转动90
°
后扫描系统示意图如图8所示，由于此时反射面632为向上倾斜，与底面夹角为a，经该面反射后，相较于图5所示的扫描系统，在竖直方向上(垂直于转镜底面和顶面630的方向)反射光线会向上偏移2a角度，此时竖直方向上扫描视场角为(-f+2a)
°
～(f+2a)
°
，扫描角分辨率为2f/3
°
。
52.当带倾角转镜旋转起来后，激光光线即可对空间进行扫描，同时由于转镜反射面带有两种不同的倾角，在空间扫描的同时还能提升竖直方向的分辨率和视场角。如图9所示，其中黑色圆形点云为经向上倾斜的反射面反射得到的点云，白色圆形点云为经向下倾斜的反射面反射得到的点云，此时竖直方向上扫描视场角为(-f-2a)
°
～(f+2a)
°
，扫描角分辨率为(2f+4a)/6
°
，相较于图6该点云扫描分辨率和视场角均有提升。
53.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种多面体转镜，包括转镜主体(10)以及支撑转镜主体(10)旋转的旋转轴(40)，其特征在于：转镜主体(10)是一个不规则六面体，转镜主体(10)上下两端为分别为顶面(41)和底面(44)，所述顶面(41)和所述底面(44)互相平行，旋转轴(40)穿过所述顶面(41)和所述底面(44)的中心，旋转轴(40)贯穿转镜主体(10)的几何中心，所述顶面(41)和所述底面(44)之间是四个反射面，四个反射面为前后对称的梯形端面(42)，左右对称的倒置端面(43)，四个反射面与底面成一定夹角，其中前后对称的梯形端面(42)与底面的夹角小于90度，并且前后两端的梯形端面(42)分别向前侧和后侧倾斜，左右对称的倒置端面(43)与底面的夹角大于90度，并且左右两端的倒置端面(43)分别向右侧和左侧倾斜。2.使用权利要求1所述的多面体转镜的一种激光雷达扫描系统，其特征在于：包含激光器线阵(11)、激光器驱动单元(14)、准直透镜(12)、多面体转镜(13)、多面体转镜驱动单元(15)、多面体转镜状态反馈单元(16)。3.根据权利要求2所述的一种激光雷达扫描系统，其特征在于：激光器线阵位于准直透镜前方的物方焦平面上，激光器线阵由多个激光器组合而成，多面体转镜位于准直透镜后方。4.根据权利要求2所述的一种激光雷达扫描系统，其特征在于：激光器驱动单元(14)用于驱动激光器线阵中的激光器；激光器线阵中每个激光器可以被驱动单元驱动发出激光；多面体转镜驱动单元(15)驱动多面体转镜绕转镜旋转轴(40)匀速旋转，旋转方向与激光器线阵排列方向垂直；多面体转镜状态反馈单元(16)则用于获取转镜旋转的位置和速度，并将这些信息反馈至激光器驱动单元(14)，用于控制激光器线阵的出光情况。5.根据权利要求2所述的一种激光雷达扫描系统，其特征在于：激光雷达扫描系统的使用步骤为：s1转镜驱动单元开始运行，带动转镜以预设速度开始旋转；s2转镜状态反馈单元获取转镜旋转位置及速度信息，并将其反馈至激光器线阵驱动转动位置信息单元；s3激光器线阵驱动单元驱动激光器发光。

技术总结
本发明公开了一种多面体转镜及使用该转镜的激光雷达扫描系统，包括转镜主体以及支撑转镜主体旋转的旋转轴，转镜主体是一个不规则六面体，转镜主体上下两端为分别为顶面和底面，所述顶面和所述底面互相平行，旋转轴穿过所述顶面和所述底面的中心，旋转轴贯穿转镜主体的几何中心，本发明设计的激光雷达的扫描系统，采由线阵光源、准直透镜和转镜构成，只用了一个扫描元件实现线阵扫描，具有更高的扫描效率，明显减少了转镜使用的个数，有利于降低整个系统的体积、重量；并且激光雷达扫描系统采用本发明提出的带倾角多面体转镜方案，可以在不增加激光器数量的前提下进一步提升扫描分辨率和视场角。辨率和视场角。辨率和视场角。


技术研发人员：刘陈晨 孙笑晨
受保护的技术使用者：杭州洛微科技有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/1