新一代激光雷达线阵与面阵可切换光栅微伺服系统的制作方法

本发明属于激光雷达(lidar，lightdetectionandranging，激光探测及测距系统)领域，涉及新一代激光雷达线阵与面阵扫描可切换光栅微伺服系统。

技术背景

目前，单台激光雷达不能灵活切换线阵扫描方式和面阵扫描方式。其中，线阵扫描可以获得很大视场角的数据，但是分辨率低，面阵扫描可以获得高分辨率数据，但是视场角小。为解决单台激光雷达兼有线阵、面阵扫描方式以及两种方式相互切换问题，本发明设计新一代激光雷达线阵与面阵可切换光栅微伺服系统。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了新一代激光雷达线阵与面阵可切换光栅微伺服系统，以解决单台激光雷达不能兼有线阵、面阵扫描方式以及两种方式相互切换问题，提高单台激光雷达扫描的灵活性，使其适用于更多应用场景。另外，该系统结构节省空间，精度高，稳定性好。

本发明可以采用以下技术方案实现：光栅微伺服系统由以下八个部分组成。一是开关。其的功能是控制系统扫描方式切换。二是螺钉。其将步进电机固定在端盖上。三是步进电机。其接受开关控制，控制转子正/反转一定角度。四是端盖。其紧固步进电机和光栅。五是转子。其通过转轴旋转实现线阵/面阵光路工作状态切换。六是光栅。其保证激光穿过后形成多束独立激光束。七是面阵二元光学器件。其是的功能是减少激光发散。八是线阵二元光学器件。其的功能是减少激光发散。

本发明的优点是：新一代激光雷达线阵与面阵可切换光栅微伺服系统集成了线阵、面阵扫描方式的优点，使单台激光雷达既能线阵扫描，又能面阵扫描，支持两种方式互相切换，进而适合不同应用场景。另外，转子封闭在光栅内，相对于旋转整个光栅，可以节省空间。

附图说明

图1是线阵与面阵可切换光栅微伺服系统整机，其中a是主视图，b是左视图，c是俯视图，d是斜二测视图

图2是线阵与面阵可切换光栅微伺服系统零件，其中a是开关，b是螺钉，c是步进电机，d是端盖，e是转子，f是光栅，g是面阵二元光学器件，k是线阵二元光学器件

图3是线阵与面阵可切换光栅微伺服系统运行原理，其中a是初始状态线阵扫描方式，b是启动状态面阵扫描方式，c是初始状态线阵扫描方式(即a)

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

实施例：

结合图1，说明本发明光栅微伺服系统的整机。分别从主视图、左视图、俯视图和斜二测视图观察系统的整机外观形状和内部结构。

结合图2，说明本发明光栅微伺服系统的零件组成。本系统由开关、螺钉、步进电机、端盖、转子、光栅、面阵二元光学器件和线阵二元光学器件八个零件组成。

结合图2-a，说明本发明光栅微伺服系统的开关。该开关是一种弹跳开关，有两种状态，即断开状态和闭合状态。其中，断开状态对应系统的线阵方式，闭合状态对应系统的面阵方式。初始状态为断开状态。一端是人机接口，用于控制系统，另一端通过导线与步进电机相连，控制步进电机运行。

结合图2-b，说明本发明光栅微伺服系统的螺钉。该螺钉上端是六边形结构，下端有螺纹。其功能是通过旋转螺钉将步进电机紧固于边角有螺纹的端盖上表面。

结合图2-c，说明本发明光栅微伺服系统的步进电机。一端通过导线与开关相连接，另一端通过转轴与转子转盘相焊接。其功能是控制转子旋转一定角度。

结合图2-d，说明本发明光栅微伺服系统的端盖。该端盖上端边角处有螺纹孔，可使步进电机贴合于其上表面。下端有键销可紧固自身于光栅上。中间留有贯通孔，可使步进电机转轴与转子转盘焊接。其功能是将步进电机紧固到光栅上。

结合图2-e，说明本发明光栅微伺服系统的转子。该转子顶部有圆柱形转盘与步进电机焊接，其正视方向柱体表面有线阵贯通孔，其侧视方向柱体表面有面阵贯通孔，线阵贯通孔与面阵贯通孔垂直相交。其功能是使线阵/面阵贯通孔让线阵/面阵激光恰好通过。

结合图2-f，说明本发明光栅微伺服系统的光栅。该光栅侧表面有线阵贯通孔和面阵贯通孔，其中线阵贯通孔与面阵贯通孔垂直相交，线阵贯通孔中间部分与面阵贯通孔中间部分共用。其功能是保证线阵/面阵贯通孔直径恰好可让线阵/面阵激光通过。

结合图2-g,说明本发明光栅微伺服系统的面阵二元光学器件。其是一种微小单凸透镜排列而成的面阵，保证激光透过后能够形成多束独立的面阵激光束。

结合图2-k，说明本发明光栅微伺服系统的线阵二元光学器件。其是一种微小单凸透镜排列而成的线阵，保证激光透过后能够形成多束独立的线阵激光束。

结合图3，说明本发明光栅微伺服系统的系统运行原理。图a，初始状态下，开关处于断开状态，步进电机不运行，转子的线阵贯通孔与光栅的线阵光路恰好对齐，光栅线阵二元光学器件处于工作状态，系统处于线阵扫描方式，激光通过光栅形成多束独立的线阵激光束。图b，用户按下开关，开关处于闭合状态，步进电机运行，转子正转一定角度，其面阵贯通孔与光栅的面阵光路恰好对齐，光栅面阵二元光学器件处于工作状态，系统处于面阵扫描方式，激光通过光栅形成多束独立的面阵激光束。图c，用户按下开关，开关处于断开状态，步进电机运行，转子反转一定角度，其线阵贯通孔与光栅的线阵光路恰好对齐，光栅线阵二元光学器件处于工作状态，系统处于线阵扫描方式，激光通过光栅形成多束独立的线阵激光束。

技术特征：

1.一种光栅微伺服系统，包括开关、螺钉、步进电机、端盖、转子、光栅；其特征在于，开关紧固在步进电机顶部；由螺钉紧固步进电机贴合于端盖上表面；端盖通过键销紧固于光栅上表面；光栅内置转子，光栅顶部留有和转子吻合的凹槽；转子可在光栅内部转动。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，是一种绝缘弹跳开关，一端是人机接口，另一端通过导线与步进电机连接；可产生步进指令，使步进电机运转；紧固与步进电机顶部。

3.根据权利要求1所述的螺钉，其特征在于，上端是六边形结构，下端有螺纹，将步进电机紧固于端盖上表面。

4.根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，属于一种微型步进电机；一端通过导线与开关相连，接收步进指令；另一端通过转轴焊接于转子转盘上；步长相等；运转后，转子线阵/面阵贯通孔恰好和光栅的线阵/面阵贯通孔对齐。

5.根据权利要求1所述的端盖，其特征在于，上端边角处有螺纹孔，可使步进电机紧固于其上表面；下端有键销可紧固自身于光栅上；中间留有贯通孔，可使步进电机转轴于转子转盘焊接；其内部为空心结构。

6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，顶部有圆柱形转盘与步进电机焊接，其正视方向柱体表面有线阵贯通孔，其侧视方向柱体表面有面阵贯通孔；线阵贯通孔与面阵贯通孔垂直相交，线阵/面阵贯通孔均可让线阵/面阵激光恰好通过；其内部为空心结构，其表面涂有吸光材料，可吸收被阻拦的激光；材料耐高温，散热好。

7.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，光栅侧表面有线阵贯通孔和面阵贯通孔，其中线阵贯通孔与面阵贯通孔垂直相交，线阵贯通孔中间部分与面阵贯通孔中间部分共用；线阵/面阵贯通孔直径恰好可让线阵/面阵激光通过；其顶部有圆柱形凹槽可使转子自由转动；其内部为空心结构，表面涂有吸光材料，可吸收被阻拦激光，可减少激光在系统内部反射；材料耐高温，散热好。

8.一种线阵二元光学器件，其特征在于，是一种微小单凸透镜排列而成的线阵，可减少激光发散；材料激光损伤阈值高；材料透射率高，激光能量损耗低。

9.一种面阵二元光学器件，其特征在于，是一种微小单凸透镜排列成的面阵，可减少激光发散；材料激光损伤阈值高；材料透射率高，激光能量损耗低。

技术总结
本发明公开了新一代激光雷达(LiDAR)的线阵与面阵可切换光栅微伺服系统，属于激光雷达领域，以解决现有单台激光雷达不能同时兼有线阵、面阵扫描方式以及两种方式相互切换的问题。其包括开关、螺钉、步进电机、端盖、转子、光栅、面阵二元光学器件和线阵二元光学器件八个组件。其原理见图，该系统拥有两种不同状态。图a是初始状态线阵扫描方式。当用户按下开关以后，系统切换为图b另一状态面阵扫描方式。当用户再按下开关以后，系统又切换回图c线阵扫描方式(与图a是同一状态)。其支持线阵/面阵方式灵活切换，集成了线阵、面阵扫描方式的优点，兼顾了大视场角和高分辨率的需求。

技术研发人员：周国清;徐嘉盛;胡皓程;周祥
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2020.01.03
技术公布日：2020.04.24