CN101589316B - 用于激光雷达的扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于优化激光雷达的扫描系统，其包括：俯垂反射镜、旋转电磁驱动机构、旋转光学编码器以及控制电路。旋转电磁驱动机构包括合并永久磁铁的轭和在其一端具有线圈的臂。线圈被装入轭内，且臂的相对端被连接到俯垂反射镜，使得轭内线圈响应于电流的移动使俯垂反射镜旋转。旋转光学编码器响应于旋转光学编码器的旋转而产生输出信号，该输出信号被用作对控制电路的反馈。控制电路调节被提供到旋转电磁驱动机构的电流，使得俯垂反射镜以参考扫描图样旋转。

Description

用于激光雷达的扫描系统

相关申请的交叉引用

本发明要求2006年10月30日提交的美国专利申请号60/855,146的优先权，该申请在这里通过引用被并入。 

技术领域

本发明涉及扫描系统，尤其是涉及用于激光雷达(lidar)的扫描系统。 

发明背景

光探测和测距(lidar)是用于遥感成像的技术，其中使用激光测量物体的距离。激光雷达系统通常包括测距仪和扫描系统。测距仪一般包括具有在紫外(UV)到近红外(NIR)范围内的波长的激光器以及接收器。通过测量激光的出射脉冲被反射回到接收器中所花费的时间，或通过测量出射和入射的调制激光束之间的相移，可确定到物体的距离。扫描系统一般包括反射镜系统，该反射镜系统用于通过反射出射和入射激光来在待成像的区域上扫描激光雷达系统的视场。 

在诸如自主车辆操作、防止碰撞和监视的应用中，为了通过激光雷达令人满意地使静止和移动的物体成像，以高重复率的精确扫描是必要的。例如，甚至对于以5Hz的帧率的144线的相对适中的图像分辨率，也必须采集每秒720线。因此，希望有能够以高角速度精确地实现扫描图样的反射镜系统。 

在传统上，两种主要类型的反射镜系统应用在用于激光雷达的扫描系统中，即，俯垂反射镜(nodding-mirror)系统和多面体反射镜(polygonal-mirror)系统。俯垂反射镜系统包括俯垂反射镜，其一般是顺时针和逆时针全程地旋转一个角域的平面反射镜。多面体反射镜系统包括多面体反射镜，其为被成形为规则多面体的具有小面(facet)的反射镜。多面体反射镜可按顺时针或逆时针全程地被旋转360°。 

俯垂反射镜系统提供了优点，即，假定俯垂反射镜足够大，俯垂反射镜在收集被反射到测距仪中的光时的效率(此后称为收集效率)在整个角域内是接近完美的。相 反，收集效率在多面体反射镜的所有角位置上不是一致的。当来自测距仪的出射光接近多面体反射镜的小面的边缘时，收集效率下降到50％。而且，由于制造误差，多面体反射镜的尺寸可能偏离规则多面体的尺寸，导致图像失真。 

然而，多面体反射镜系统提供了优点，即，一旦多面体反射镜被设置在旋转中，必须完全维持多面体反射镜的角速度。相反，当俯垂反射镜到达角域的末尾时，必须周期性地停止和反转俯垂反射镜的旋转。因此，俯垂反射镜在可被全程地旋转过扫描图样的角速度一般低于多面体反射镜在对应情况下的角速度。 

在传统扫描图样中，俯垂反射镜在一个方向上以恒定的角速度被全程地旋转一个角域，并接着在相反的方向上被尽可能快地旋转到角域的起始处。在扫描图样的分割期间，其中俯垂反射镜返回到角域的起始处，有用的数据没有被收集到测距仪中。为了最佳地实现这样的扫描图样，俯垂反射镜应理想地能够以高角速度旋转，并能够承受快的角加速度。 

具有各种配置的俯垂反射镜系统在用于激光雷达的扫描系统中被实现，但这些传统的俯垂反射镜系统有一些重要的局限性。 

在这样的俯垂反射镜系统中，不同类型的旋转驱动机构被用于使俯垂反射镜旋转。例如在Krawczyk等人的美国专利号5,337,189和Sullivan等人的美国专利号6,650,402中公开了包括步进电机的俯垂反射镜系统。然而，这些俯垂反射镜系统有缺点，即，步进电机的齿轮机构引入齿隙，限制了俯垂反射镜的旋转的精确度和角速度。例如在Cameron等人的美国专利号5,006,721、Land的美国专利号7,135,672和Kacyra等人的美国专利号7,215,430中公开了包括检流计电机的俯垂反射镜系统。然而，这些俯垂反射镜系统有缺点，即，检流计电机提供相对低的扭矩，限制了可被旋转的俯垂反射镜的尺寸。 

这样的俯垂反射镜也可包括用于确定俯垂反射镜的角位置的不同类型的探测器。例如在Karning等人的美国专利号4,810,088和Minor的美国专利号6,262,800中公开了包括角位置传感器的俯垂反射镜系统。例如在Kaman等人的美国专利号5,231,401、Jackson等人的美国专利号6,107,770和Kacyra等人的美国专利号7,215,430中公开了包括旋转编码器的俯垂反射镜系统。这样的探测器的输出信号一般用作对用于控制旋转驱动机构的控制电路的反馈。闭环反馈控制的效率被探测器的精确度和分辨率所限制。 

发明内容

本发明的目的是通过提供为激光雷达系统优化的扫描系统来克服现有技术的缺点。作为用于激光雷达的这样的扫描系统的部分，提供了包括俯垂反射镜、旋转电磁驱动机构、旋转光学编码器和控制电路的优化俯垂反射镜系统。旋转电磁驱动机构是重量轻的然而足够强大到以高角速度旋转的具有对激光雷达系统优选的尺寸的俯垂反射镜。在旋转电磁驱动机构的静止轭(yoke)和移动的臂之间的机械联动装置的缺乏消除了任何齿隙的可能性，并允许施加到俯垂反射镜的扭矩的方向本质上被立即反转，该移动的臂连接到俯垂反射镜。俯垂反射镜系统的旋转光学编码器具有高分辨率和精确度。而且，旋转光学编码器的探测器和连接到俯垂反射镜的编码器磁盘无机械联动装置，排除了齿隙。这样的旋转光学编码器的使用通过控制电路允许俯垂反射镜的扫描图样的非常精确的闭环反馈控制。 

在俯垂反射镜系统中的元件的空前和有利的组合允许由俯垂反射镜精确地实现各种扫描图样。此外，额外的反射镜系统可包括在扫描系统的某些实施方式中，以增加激光雷达系统的视场。 

包括多面体反射镜、旋转驱动机构、旋转编码器和控制电路的优化多面体反射镜系统，也被提供并作为用于激光雷达的扫描系统的部分。有利地，多面体反射镜系统的控制电路被配置以更改旋转编码器的输出信号，从而增加激光雷达系统的分辨率或补偿多面体反射镜中的制造瑕疵。 

因此，本发明涉及用于激光雷达的扫描系统，其包括：俯垂反射镜，其具有俯垂轴线和中央位置；旋转电磁驱动机构，其被配置以绕着俯垂轴线顺时针和逆时针旋转俯垂反射镜，其包括：轭和臂，轭包括永久磁铁，臂包括位于臂的一端的线圈，其中线圈被装入轭内，且臂的相对端被连接到俯垂反射镜，使得轭内线圈响应于电流的移动使俯垂反射镜旋转；旋转光学编码器，其被配置以响应于俯垂反射镜的旋转而产生输出信号；以及控制电路，其被配置以响应于旋转光学编码器的输出信号而调节被提供到旋转电磁驱动机构的电流，使得俯垂反射镜以参考扫描图样旋转。 

附图说明

参考表示其中优选的示例性实施方式的附图将对本发明进行较详细的描述， 其中： 

图1A是俯垂反射镜系统的分解透视图； 

图1B是俯垂反射镜系统的透视示意图； 

图2A是用于俯垂反射镜系统的旋转电磁驱动机构的侧视示意图； 

图2B是用于俯垂反射镜系统的旋转电磁驱动机构的俯视示意图； 

图3是用于俯垂反射镜系统的闭环控制系统的示图； 

图4A是以三角形扫描图样旋转的俯垂反射镜系统的俯垂反射镜的角速度与时间的关系曲线图； 

图4B是以三角形扫描图样旋转的俯垂反射镜系统的俯垂反射镜的角位置与时间的关系曲线图； 

图5是组合有测距仪的包括俯垂/旋转反射镜系统的扫描系统的示意图； 

图6是组合有测距仪的包括俯垂反射镜系统和旋转反射镜系统的扫描系统的示意图； 

图7是组合有测距仪的包括俯垂反射镜系统和第二俯垂反射镜系统的扫描系统的示意图； 

图8是包括俯垂反射镜系统和多面体反射镜系统的扫描系统的部分分解的透视示意图； 

图9是组合有测距仪的用于多面体反射镜系统的闭环控制系统的示图；以及 

图10是用于多面体反射镜系统的被掩蔽的多面体反射镜的小面的示意图。 

具体实施方式

用于包括优化的俯垂反射镜系统的激光雷达的扫描系统

参考图1A和1B，本发明提供了用于包括经优化的俯垂反射镜系统100的激光雷达的扫描系统。俯垂反射镜系统100包括俯垂反射镜110、旋转电磁驱动机构120、旋转光学编码器130和控制电路(未示出)。俯垂反射镜110具有俯垂轴线113和中央位置。在所示实施方式中，大约200mm长和60mm宽的俯垂反射镜110被安装在包括 轴112的镜支架111上，轴112与俯垂轴线113重合，俯垂反射镜110绕着俯垂轴线113旋转。优选地，俯垂反射镜110是平面的。 

俯垂反射镜110通过轴112被同时连接到旋转电磁驱动机构120和旋转光学编码器130两者。优选地，旋转电磁驱动机构120在俯垂反射镜110的一端被连接到轴112，且旋转光学编码器130在俯垂反射镜110的相对端被连接到轴112，如在所示实施方式中那样。这样的布置最小化了在俯垂反射镜110和旋转光学编码器130之间的轴112的扭曲，提高了旋转光学编码器130的精确度。优选地，该连接是刚性的。 

在所示实施方式中，俯垂反射镜110、旋转电磁驱动机构120和旋转光学编码器130的组件由包括保险杠141以及侧支架142、143和144的底座140支撑。 

在其它实施方式中，俯垂反射镜110、旋转电磁驱动机构120、旋转光学编码器130可按一个可替换的布置被组装。例如，旋转电磁驱动机构120和旋转光学编码器130都可在俯垂反射镜110的相同端被连接到轴112。这样的布置将最小化此后描述的闭环控制系统的谐振频率。此外，俯垂反射镜110、旋转电磁驱动机构120和旋转光学编码器130的组件可由其它适当的支撑装置支撑。 

参考图2A和2B，旋转电磁驱动机构120包括轭221和臂223，轭221包括永久磁铁222，臂223在一端包括线圈224。轭221被弯曲成圆形弧。优选地，轭221包括磁芯225、壳体226和安装在壳体226上的多个永久磁铁222，如在所示实施方式中那样。永久磁铁222被布置成使得相同的磁极面向磁芯225，并通过气隙227与磁芯225分离。优选地，为了最大化由图2B中的箭头指示出的磁场，气隙227尽可能小，且磁芯225由铁磁性材料组成。 

线圈224在臂223的一端被装入轭221内。线圈224围绕磁芯225并占据气隙227。臂223的与线圈224相对的一端在俯垂反射镜110的一端被连接到轴112。俯垂反射镜110通过轴112被连接到臂223，俯垂反射镜110到线圈224的距离为轭221的圆形弧半径。优选地，该连接是刚性的。 

当由图2A和2B中的箭头指示的电流通过线圈224时，产生垂直于电流方向和磁场方向的方向上的力，由图2B中的箭头所指示。该力使线圈224响应于施加的电流而在轭221内移动。依次的，在臂223的一端的线圈224的运动又在臂223的相对端的轴112上产生扭矩，使俯垂反射镜110绕着俯垂轴线113旋转。优选地，俯垂反射镜旋转所通过的角域为至少±10°。通过反转被提供到线圈224的电流的方向可反转俯垂反 射镜110的旋转方向。通过改变被提供到线圈224的电流的量值可调节俯垂反射镜110的角速度。一般，希望有10-20Hz的扫描频率。 

适当的旋转电磁驱动机构120的一个例子是由BEI Kimco Magnetics生产的旋转音圈致动器RA-29-11。 

旋转光学编码器130被配置以响应于俯垂反射镜110的旋转而产生输出信号。旋转光学编码器130包括光源、编码器磁盘和探测器。编码器磁盘在俯垂反射镜110的一端被连接到轴112。当俯垂反射镜旋转时，被几组线所标记的编码器磁盘在光源和探测器之间旋转。因此，探测器产生具有与俯垂反射镜110的角速度成比例的频率的已被调制的输出信号。优选地，旋转光学编码器130被配置以提供正弦输出信号。优选地，输出信号由90度异相的两个正弦波组成。 

适当的旋转光学编码器130的一个例子是由Heidenhain生产的ERN 1080-3600增量式旋转编码器，其具有在编码器磁盘上正交的两组3600条线。 

参考图3，来自旋转光学编码器130的输出信号用作对控制电路350的反馈。控制电路350响应于旋转光学编码器130的输出信号来调节被提供到旋转电磁驱动机构120的电流，以确保俯垂反射镜110在闭环控制系统中以参考扫描图样旋转。 

优选地，控制电路350被编程具有参考扫描图样，参考扫描图样包括参考角域和参考角速度。当测距仪一般以固定的速率进行距离测量时，参考角速度确定由激光雷达系统产生的图像的分辨率。参考角域确定激光雷达系统的视场。优选地，控制电路350被编程具有多个扫描图样，且扫描系统包括用于选择参考扫描图样的人机界面。 

在所示实施方式中，控制电路350包括位置计数电路351和速度控制电路352。优选地，控制电路350还包括内插电路。 

可选的内插电路被配置以内插旋转光学编码器130的输出信号，允许旋转光学编码器130的分辨率被明显增加。内插电路将正弦输出信号分成表示旋转光学编码器130的角位置的所期望数量的增量。例如，如果来自旋转光学编码器130的正弦输出信号被内插以增加分辨率4096倍，其中旋转光学编码器130包括具有正交的两组3600条线的编码器磁盘，那么俯垂反射镜110的角位置可以360/(3600×4×4096)的精确度或6微度被确定。 

位置计数电路351被配置以优选地在内插之后，给来自旋转光学编码器130 的输出信号的增量计数，以确定俯垂反射镜110的角位置。根据参考扫描图样，当达到参考角域的限制时，参考角速度的符号被改变，以反转俯垂反射镜110的旋转方向。 

速度控制电路352被配置以控制俯垂反射镜110的角速度。速度控制电路352确定俯垂反射镜110的角速度，并比较角速度与参考角速度。以角速度与参考角速度之间的误差为基础，速度控制电路352调节被提供到旋转电磁驱动机构120的线圈224的电流。优选地，速度控制电路352是比例积分(PI)控制电路，其既计算误差同时也对误差在时间上求积分。被提供到线圈224的电流接着以比例误差项为基础被调节，这确保短期角速度正确，同时以积分误差项为基础被调节，这确保平均角速度正确。 

适当的控制电路350的一个例子是由Elmo Motion Control生产的HAR-A2/100I电机控制器。 

作为本发明的扫描系统的部分被提供的俯垂反射镜系统100允许有用的信息被收集到测距仪中，同时俯垂反射镜110顺时针和逆时针全程地旋转过参考角域。因此，在扫描系统的优选实施方式中，控制电路350控制俯垂反射镜110来以三角形扫描图样旋转。在这样的扫描图样中，参考角速度在参考角域内是恒定的，并在角域的限制处反转符号。为了展示这样的实施方式的性能，分别在图4A和4B中示出对以三角形扫描图样旋转的俯垂反射镜110的角速度与时间的关系曲线图和角位置与时间的关系曲线图。 

在其它实施方式中，控制电路350可被配置以控制俯垂反射镜110以完成其它类型的扫描图样，其中参考角速度在参考角域内在量值上变化并在角域的限制处反转符号。这样的扫描图样可具有实质上任何波形。例如，控制电路350可被配置以控制俯垂反射镜110来以正弦扫描图样旋转。正弦扫描图样对获得高扫描频率是有利的，因为在角域的限制处反转角速度所需的角加速度低于以三角形扫描图样的。 

可替换地，控制电路350可被配置以控制俯垂反射镜110来以对激光雷达系统的特定应用优化的扫描图样旋转。在这样的优化扫描图样中，参考角速度的量值在需要较低分辨率的角域的段上较高，而在需要较高分辨率的角域的不同段上较低。例如，在对被安装在沿着道路移动的车辆上的激光雷达系统进行优化的扫描图样中，俯垂反射镜110快速旋转而穿过包括在车辆附近的物体较容易被识别的道路的视场的下部分，以及缓慢旋转而穿过包括在远离车辆的物体较难被识别的场景的视场的上部分。 

作为本发明的扫描系统的部分被提供的俯垂反射镜系统100还允许参考扫描 图样容易地和动态地被改版。因此，当扫描系统在运行时激光雷达系统的视场和分辨率可以被调节。在优选实施方式中，扫描系统包括计算机，其配置有用于确定最有效的方法来扫描激光雷达系统的视场的程序。当扫描系统在运行时，计算机选择更新的参考扫描图样，并用更新的参考扫描图样对控制电路350重新编程。例如，计算机可指导俯垂反射镜系统100快速扫描大视场以产生低分辨率图像，并接着在所关心的物体被识别出时，缓慢扫描总视场的较小区域来以高得多的分辨率给这些区域成像。可替换地，扫描系统可包括人机界面，用于当扫描系统在运行时以更新的参考扫描图样对控制电路350重新编程。用户接着执行更新的参考扫描图样的选择，同时实时地审查来自激光雷达系统的图像。在使视网膜中央凹上的图像的所关心部分聚焦时，我们称为视网膜中央凹扫描(foveal scanning)的该扫描方法模仿人眼的行为，视网膜中央凹是具有高分辨率成像能力的视网膜的区域。 

在扫描系统的另一优选的实施方式中，俯垂反射镜系统100的控制电路350通过接口被连接到俯仰角探测器，其响应于扫描系统的俯仰角而产生输出信号。适当的俯仰角探测器包括全球定位系统(GPS)/惯性系统和基于微电子机械系统(MEMS)的传感器。响应于仰俯角探测器的输出信号，控制电路350通过移动参考角域来调节俯垂反射镜110的参考扫描图样，以补偿扫描系统的仰俯角。这样的实施方式对安装在移动的车辆例如道路上的汽车、海上的船或在飞行中的飞机上的激光雷达系统特别有利。本发明调节这样的激光雷达系统的视场，以补偿仰俯角，便于物体的识别。 

参考图5，扫描系统的另一优选的实施方式包括俯垂/旋转反射镜系统500。在俯垂/旋转反射镜系统500中，俯垂反射镜110具有旋转轴线513，俯垂反射镜110可绕着旋转轴线513顺时针或逆时针全程地旋转360°。除了被配置以绕着俯垂轴线113顺时针或逆时针旋转俯垂反射镜110的旋转电磁驱动机构120以外，俯垂/旋转反射镜系统500还包括被配置以绕着旋转轴线513旋转俯垂反射镜110的旋转驱动机构。 

优选地，旋转轴线513垂直于俯垂轴线113，并与俯垂反射镜110的中央位置成45°角。这样的实施方式允许绕着旋转轴线513在水平面内的完整的360°旋转范围内数据被收集到测距仪560中。从测距仪560发射的光的光路561可进一步通过绕着俯垂轴线113旋转来被控制，这垂直地扫描光的光路。 

为了获得较高的旋转角速度，希望旋转主体的质量尽可能低。因此，在一些情况下，使用分离的旋转反射镜系统来用于360°扫描可能是有利的。参考图6，除了俯 垂反射镜系统100以外，本发明还提供包括旋转反射镜系统600的扫描系统。旋转反射镜系统600包括具有旋转轴线613的旋转反射镜610和被配置以绕着旋转轴线613使旋转反射镜旋转的旋转驱动机构。 

旋转反射镜610可绕着旋转轴线613顺时针或逆时针全程地旋转360°，旋转轴线613垂直于俯垂反射镜110的俯垂轴线113。优选地，旋转反射镜610是平面的。优选地，旋转反射镜610的旋转轴线613与旋转反射镜610和俯垂反射镜110的中央位置成45°角。当与测距仪560组合时，如图6所示，俯垂反射镜110使从测距仪560发射的光的光路661偏离，允许在垂直方向上调节旋转反射镜610所提供的360°水平视场。 

在一些情况下，将额外的俯垂反射镜系统包括在扫描系统中可能是有利的。参考图7，本发明提供了除了俯垂反射镜系统100以外还包括第二俯垂反射镜系统700的扫描系统。第二俯垂反射镜系统700包括具有第二俯垂轴线713和第二中央位置的第二俯垂反射镜710，以及配置成绕着俯垂轴线713顺时针或逆时针旋转第二俯垂反射镜710的第二旋转驱动机构。 

第二俯垂反射镜710的第二俯垂轴线713垂直于俯垂反射镜110的俯垂轴线113。优选地，第二俯垂反射镜710是平面的。优选地，俯垂反射镜110的俯垂轴线113与第二俯垂反射镜710的中央位置成45°角，而第二俯垂反射镜710的第二俯垂轴线713与俯垂反射镜110的中央位置成45°角。因此，如图7所示，当与测距仪560组合时，俯垂反射镜系统110和第二俯垂反射镜系统700在两个垂直的方向上扫描激光雷达系统的视场。作为参考，当俯垂反射镜系统110在中央位置上且第二俯垂反射镜系统710在第二中央位置上时，从测距仪560发射的光的光路761从图7中的页面导出。这样的实施方式是有利的，因为它允许激光雷达系统的整个视场以接近完美的收集效率被扫描。 

优选地，第二俯垂反射镜系统700具有与俯垂反射镜系统100相同的有利的元件组合，并包括本质上分别等效于此前描述的俯垂反射镜110、旋转电磁驱动机构120、旋转光学编码器130和控制电路350的第二俯垂反射镜710、第二旋转电磁驱动机构、第二旋转光学编码器和第二控制电路。当两个这样的优化俯垂反射镜系统100和500被结合在扫描系统中使用时，俯垂反射镜110和第二俯垂反射镜710都可按各种参考扫描图样以类似的平均速度旋转。优选地，第二俯垂反射镜710的第二平均角速度在俯垂反射镜110的平均角速度的±20％内。相反，在传统的双反射镜扫描系统中，一个 反射镜一般以比另一个高得多的平均角速度旋转，使得一个方向被非常快速地扫描，而其它方向被相对缓慢地扫描。 

例如，俯垂反射镜100的参考扫描图样和第二俯垂反射镜系统700的参考扫描图样都可为三角形扫描图样。可选地，参考扫描图样和第二参考扫描图样都可为正弦扫描图样，且因而形成的组合的扫描图样将为公知的Lissajous图形之一。优选地，参考扫描图样和第二参考扫描图样包括相似或相等的参考角速度。在一些情况下，参考扫描图样和第二参考扫描图样也包括相似或相等的参考角域。 

优选地，俯垂反射镜系统100的控制电路350和第二俯垂反射镜系统700的第二控制电路分别被编程具有参考扫描图样和第二参考扫描图样。在一些情况下，根据在此之前描述的视网膜中央凹扫描方法，当扫描系统在运行时，控制电路350和第二控制电路可分别以更新的参考扫描图样和第二参考扫描图样被计算机或用户编程。 

参考图8，除了俯垂反射镜系统100以外，扫描系统的另一优选的实施方式还包括多面体反射镜系统800。多面体反射镜系统800包括具有旋转轴线813的多面体发射镜810和被配置以绕着旋转轴线813旋转多面体反射镜810的旋转驱动机构820。多面体反射镜810可绕着旋转轴线813顺时针或逆时针全程地旋转360°，旋转轴垂直于俯垂反射镜110的俯垂轴线113。当与测距仪560组合时，俯垂反射镜110使从测距仪560发射的光的光路偏离，允许在垂直方向上调节由多面体反射镜810提供的360°水平视场。 

用于包括优化多面体反射镜系统的激光雷达的扫描系统

本发明还提供了用于包括优化多面体反射镜系统的激光雷达的扫描系统。参考图9，多面体反射镜系统900包括多面体反射镜910、旋转驱动机构920、旋转编码器930和控制电路950。 

多面体反射镜910被成形为具有多个理想长度的小面的规则多面体，这些小面彼此以理想的角被定向。优选地，多面体反射镜910是具有彼此成60°的相等长度的6个小面的六面体反射镜。多面体反射镜910可绕着与多面体轴重合的旋转轴顺时针或逆时针全程地旋转360°。 

如之前提到的，传统多面体反射镜的收集效率随着角位置而变化，并且当从 测距仪560发射的光接近小面的边缘时降低到50％。因此，在本发明提供的扫描系统的优选实施方式中，多面体反射镜910被掩蔽，以提高收集效率的均匀性。参考图10，被掩蔽的多面体反射镜910包括具有低反射率的掩蔽区1015和高反射率的非掩蔽区1016的小面1014。 

为了确定掩蔽区1015的最佳尺寸和特征，在掩蔽之前计算作为多面体反射镜910的角位置的函数的收集效率。根据第一原理或通过使用适当的软件、通过考虑因素例如小面1014的尺寸、多面体反射镜910从来自测距仪560的光的光路的偏移以及测距仪560的孔径尺寸，这样的计算可以被执行。以这样的计算的结果为基础，具有高收集效率的多面体反射镜910的区域被在测距仪560的激光波长处吸收光的材料层掩蔽。进一步地，改变这些掩蔽区1015内的该层的厚度以补偿被计算的收集效率的变化。通过将材料涂到表面上或通过经由掩模放置材料，该层被贴到多面体反射镜910的掩蔽区1015中。 

旋转驱动机构920被配置以绕着旋转轴旋转多面体反射镜910，而旋转编码器930被配置以响应于多面体反射镜910的旋转而产生脉冲输出信号。控制电路950响应于旋转编码器930的脉冲输出信号来调节被提供到旋转驱动机构920的电流，以确保多面体反射镜910在闭环控制系统中以参考扫描图样旋转。 

优选地，控制电路950被编程具有参考扫描图样。在一些情况下，根据在此之前描述的视网膜中央凹扫描方法，控制电路950当扫描系统在运行时以更新的参考扫描图样被计算机或用户编程。 

旋转编码器930的脉冲输出信号也被用于通过测距仪560触发数据获取。有利地，控制电路950与测距仪560通过接口被连接，并被配置以给测距仪560提供被更改的脉冲输出信号。优选地，控制电路950被配置以增加脉冲输出信号的频率，从而增加通过测距仪560的数据收集的频率。因此，激光雷达系统的分辨率可被增加到由测距仪560的响应时间所确定而不是由旋转编码器930的分辨率所确定的上限。 

在另一优选实施方式中，控制电路950被配置以更改脉冲输出信号，以补偿多面体反射镜910的制造瑕疵。例如，为了抵消多面体反射镜910的小面1014之间的角从理想角的偏移，可在每个小面1014的脉冲群之前插入可调节的延迟。通过测距仪560触发数据获取的时间稍微改变，以允许多面体反射镜910全程地旋转稍微更大或更小的角。这样的配置为多面体反射镜910减小了最一般类型的制造误差的影响，并通过 激光雷达系统导致成像的清晰度的提高。 

当然可设想很多其它实施方式，而不偏离本发明的实质和范围。 

Claims (23)

1.一种用于激光雷达的扫描系统，其包括：

俯垂反射镜，其具有俯垂轴和中央位置；

旋转电磁驱动机构，其被配置以绕着俯垂轴线顺时针和逆时针旋转俯垂反射镜，包括：

轭，所述轭被成形为圆形弧，其包括磁芯、壳体和安装在所述壳体上的多个永久磁铁，使得所述永久磁铁的相同磁极面向所述磁芯，并且通过气隙与所述磁芯分离，以及

臂，在所述臂的一端包括线圈，

其中所述线圈被装入所述轭内，使得所述线圈围绕所述磁芯并占据所述气隙，并且所述俯垂反射镜被连接到所述臂的相对端，所述俯垂反射镜到所述线圈的距离为所述圆形弧的半径，使得所述轭内的所述线圈响应于电流的移动使所述俯垂反射镜旋转；

旋转光学编码器，其被配置以响应于所述俯垂反射镜的旋转而产生输出信号；以及

控制电路，其被配置以响应于所述旋转光学编码器的输出信号而调节被提供到所述旋转电磁驱动机构的电流，使得所述俯垂反射镜以参考扫描图样旋转。

2.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述旋转电磁驱动机构的所述臂被连接到所述俯垂反射镜的一端，且所述旋转光学编码器被连接到所述俯垂反射镜的相对端。

3.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述旋转光学编码器产生正弦输出信号。

4.如权利要求3所述的扫描系统，其中所述控制电路包括被配置以内插所述旋转光学编码器的输出信号的内插电路。

5.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述控制电路被编程具有参考扫描图样。

6.如权利要求5所述的扫描系统，进一步包括计算机，当扫描系统在运行时，所述计算机被配置以选择更新的参考扫描图样并以所述更新的参考扫描图样对所述控制电路重新编程。

7.如权利要求5所述的扫描系统，进一步包括用于当扫描系统在运行时以更新的参考扫描图样对所述控制电路重新编程的人机界面。

8.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述控制电路被编程具有多个扫描图样，所述扫描系统进一步包括用于选择所述参考扫描图样的人机界面。

9.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述控制电路包括被配置以确定所述俯垂反射镜的角位置的位置计数电路，以及被配置以控制所述俯垂反射镜的角速度的速度控制电路。 

10.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述参考扫描图样是三角形扫描图样。

11.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述参考扫描图样包括参考角域和参考角速度，其中所述参考角速度在所述参考角域内在量值上变化。

12.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述参考扫描图样是正弦扫描图样。

13.如权利要求1所述的扫描系统，进一步包括响应于所述扫描系统的仰俯角而产生输出信号的仰俯角探测器，其中所述控制电路进一步被配置以响应于所述仰俯角探测器的所述输出信号而调节所述参考扫描图样。

14.如权利要求1所述的扫描系统，其中所述俯垂反射镜具有旋转轴线，所述扫描系统进一步包括被配置以绕着所述旋转轴线旋转所述俯垂反射镜的旋转驱动机构。

15.如权利要求14所述的扫描系统，其中所述旋转轴线垂直于所述俯垂轴线，并与所述中央位置成45度角。

16.如权利要求1所述的扫描系统，进一步包括具有旋转轴线的旋转反射镜，其中所述旋转反射镜的所述旋转轴线垂直于所述俯垂反射镜的所述俯垂轴线，且旋转驱动机构被配置以绕着所述旋转轴线旋转所述旋转反射镜。

17.如权利要求16所述的扫描系统，其中所述旋转反射镜的旋转轴线与所述旋转反射镜成45度角，以及与所述俯垂反射镜的所述中央位置成45度角。

18.如权利要求1所述的扫描系统，进一步包括具有第二俯垂轴线和第二中央位置的第二俯垂反射镜，其中所述第二俯垂反射镜的所述第二俯垂轴线垂直于所述俯垂反射镜的所述俯垂轴线，且第二旋转驱动机构被配置以绕着所述第二俯垂轴线顺时针和逆时针旋转所述第二俯垂反射镜。

19.如权利要求18所述的扫描系统，其中所述俯垂反射镜的所述俯垂轴线与所述第二俯垂反射镜的第二中央位置成45度角，且所述第二俯垂反射镜的所述第二俯垂轴线与所述俯垂反射镜的中央位置成45度角。

20.如权利要求18所述的扫描系统，其中所述第二旋转驱动机构是第二旋转电磁驱动机构，所述第二旋转电磁驱动机构包括：

第二轭，其包括第二永久磁铁，以及

第二臂，在所述第二臂的一端包括第二线圈，

其中所述第二线圈被装入所述第二轭内，且所述第二臂的相对端被连接到所述第二俯垂反射镜，使得所述第二轭内的所述第二线圈响应于电流的移动使所述第二俯垂反射镜旋转， 

所述扫描系统进一步包括：

第二旋转光学编码器，其被配置以响应于所述第二俯垂反射镜的旋转而产生第二输出信号；以及

第二控制电路，其被配置以响应于所述第二旋转光学编码器的第二输出信号而调节被提供到所述第二旋转电磁驱动机构的电流，使得所述第二俯垂反射镜以第二参考扫描图样旋转。

21.如权利要求20所述的扫描系统，其中所述参考扫描图样和所述第二参考扫描图样是三角形扫描图样。

22.如权利要求20所述的扫描系统，其中所述参考扫描图样和所述第二参考扫描图样是正弦扫描图样。

23.如权利要求1所述的扫描系统，进一步包括具有旋转轴线的多面体反射镜，其中所述多面体反射镜的所述旋转轴线垂直于所述俯垂反射镜的所述俯垂轴线，且旋转驱动机构被配置以绕着所述旋转轴线旋转所述多面体反射镜。 

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