CN107209267B - 基于mems的lidar - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种系统，用于测量如空气中颗粒这样的颗粒的速度。本发明具体涉及具有微机电系统(MEMS)的激光雷达(LIDAR)系统。

Description

基于MEMS的LIDAR
技术领域
本发明涉及一种系统，用于测量如空气中颗粒这样的颗粒的速度。本发明具体涉及具有微机电系统(MEMS)的激光雷达(LIDAR)系统。
背景技术
众所周知，LIDAR可用于测量颗粒的速度。通常，使用诸如望远镜的单个光束聚焦光学单元来测量速度。单个望远镜通常都用作光的发射器和接收器，该光通常是激光束。首先，通过望远镜将光发射到目标，其次，光在目标物体处散射，最后通过望远镜接收后向散射光，从而可以确定速度分量。
具有单个望远镜的LIDAR系统限于视线测量，不能确定例如具有多个速度分量的风场。确定多个速度分量，即多个速度矢量的一个解决方案是在望远镜中实现扫描单元，使得可以获得更宽的视场。另一个解决方案是使用多个望远镜，例如通过分割单个光束而例如同时测量风速分量。后一种解决方案的缺点意味着发射的光功率的下降。因此，已经提出在多个光束聚焦光学单元之间切换单个光束，特别是使得光束聚焦光学单元指向相同的探测器体积，从而提供相同目标体积的不同视图。
为了在多个光束聚焦光学单元之间切换光束，具体地提出使用光纤，以便在光功率损耗很小的情况下将光束切换并耦合到光束聚焦光学单元中。使用光纤首先将固定的光配置和特定传输提供到例如多个光束聚焦光学单元中。在这方面，光纤解决方案是非常稳定的系统。另一方面，这个解决方案对于光束聚焦光学单元的配置，确切地说对准也极为敏感。例如，在LIDAR系统的组装中，光束聚焦光学单元可以易于未对准，然后可以调节光纤以适应光束聚焦光学单元的未对准。可替换地，可以将光束聚焦光学单元调整到光纤，或者两种方法的组合可以提供总体对准的LIDAR系统。这样的对准是麻烦和有时间要求的。此外，如果LIDAR系统安装在例如风力涡轮机的顶部，则可能不容易对准光纤或光束聚焦光学单元，因此需要提供容易且简单光束对准的LIDAR系统。
发明内容
为了解决和应对上述问题和难题，本公开内容提供了一种LIDAR系统，包括：光束生成部，适于生成输出光束；多个光束聚焦光学单元，每个具有至少一个光学元件，所述光学元件限定光轴；及与光束生成部光学连接的光束控制元件，并且包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置的至少一个反射元件，所述光束控制元件被配置为通过选择性地定位反射元件而使得可以在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导输出光束，及其中，选择反射元件的选定位置，使得输出光束与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴对准。
通过据此公开的本发明，可以容易地将输出光束与光束聚焦光学单元的光轴对准，例如通过简单地改变反射元件的选定位置。选定位置可以基于期望的设计，例如理论设计或原型设计。可替换地，选定位置可以基于组装的系统的性能参数。应当注意，通过将输出光束与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴对准，应当理解，这是在例如MEMS和光轴的确定的精度内的。因此，在实际中，与光轴的对准在一定的精确度内，使得输出光束偏离光轴例如小于5度、例如小于4度、例如小于3度、例如小于2度，优选地小于1度和/或更优选小于0.1度。
然而，例如在组装或安装光束聚焦光学单元期间，容易发生光轴偏离所期望的设计(称为未对准)。然而，也可能由于诸如温度变化这样的环境条件而发生未对准，从而使光束聚焦光学单元中的光学元件或其他材料(例如固定光学元件的材料)收缩或膨胀。
因此，通过本发明，可以简单地通过改变反射元件的选定位置来适应光束聚焦光学单元的未对准。与典型的对准相比，本发明提供的对准可以至少取消光束聚焦光学单元的机械对准。取消机械对准可能是很好的，特别是当LIDAR系统放置在风力涡轮机的顶部而难以执行机械对准时。即使光束聚焦光学单元可以从风力涡轮机的顶部卸下并且在地面上机械对准，当LIDAR系统再次安装在风力涡轮机的顶部时仍然存在未对准光束聚焦光学单元的风险。因此，本发明提供了一种LIDAR系统，其可以例如通过远离LIDAR系统改变选定位置而以低风险对准。
本发明还提供了一种LIDAR系统，其中光纤不必耦合到光束聚焦光学单元中，因为MEMS能够将输出光束直接引导到光束聚焦光学单元中。以这种方式，可以提供光束聚焦光学单元的更简单的对准，因为无需光纤与光束聚焦光学单元对准。另一方面，需要实现的唯一事情是确定MEMS的反射元件的选定位置的位置，使得能够最佳地通过光束聚焦光学单元来发射并接收输出光束。
通过如所述的在LIDAR系统中具有MEMS，实现了其它几个效果。首先，具有反射元件的MEMS能够在位置之间快速切换。以这种方式，本发明可以类似于具有同时发射和接收的多个光束聚焦光学单元的LIDAR系统。然而，本发明可以比这样的LIDAR系统更好，因为由于不分割光束所以光损耗可以非常小，而且因为在反射元件中可以存在低的插入损耗。其次，由于如所述的MEMS具有反射元件，提供了对波长变化(例如，如果反射元件被适当地涂层)不敏感的光束控制元件。例如，如果光源随着时间的推移而失调，波长变化例如可以在诸如几个月甚至几年的长时间段内发生。因此，本发明提供了一种提供高效、准确和稳定的精确对准的LIDAR系统。第三，MEMS中的反射元件可以对环境因素不敏感，例如天气条件，例如湿度或温度。结果，本发明可以提供工作不会劣化的LIDAR系统，从而延长系统的使用寿命。第四，MEMS可以对偏振不敏感。因此，本发明提供了无需偏振控制的LIDAR系统，从而提供了易于制造的LIDAR系统。此外，MEMS内的反射元件可以提供一种LIDAR系统，其给予了提供调节焦距的能力的优点。
本文所公开的LIDAR系统可以是相干多普勒LIDAR系统。在这种系统中，系统发射光束并从目标接收一部分后向散射光，使得后向散射光与由本地振荡器生成的参考光束相干地叠加。因此，LIDAR系统可以包括本地振荡器。本地振荡器可以包括生成光学器件，例如参考楔，例如负责生成反射信号。因此，可以借助参考光束在检测器上接收后向散射光，从中可以推导出目标的视线或径向速度。因此，后向散射光可以是多普勒偏移的目标信号和未偏移的参考信号，即，检测器可以接收多普勒频谱，从其可以例如在信号处理器中执行诸如频率分析的分析。通过具有多个光束聚焦光学单元，可以求解该目标和/或多个目标的多个速度矢量。
相干多普勒LIDAR系统由于本地振荡器的相位噪声而易于受到相位诱导强度噪声(PIIN)的影响，该相位噪声通过来自目标的后向散射光的波震动而转换为强度噪声。PIIN至少取决于来自本地振荡器的信号的功率、剩余光的功率、光束生成部的相干时间以及本地振荡器和后向散射光之间的延迟时间。由于本地振荡器和后向散射光之间的延迟时间，PIIN取决于从目标到本地振荡器的光程的配置，从而取决于LIDAR系统的配置。具体来说，PIIN随着在本地振荡器和后向散射光之间的平方延迟时间而增加，因此PIIN随着从目标到本地振荡器的平方光程而增加。换句话说，PIIN对光程非常敏感，因此最好尽可能缩短光程以降低PIIN。
然而，本文所公开的LIDAR系统中的MEMS的实现可以具有增加PIIN的效果，这是由于与其他LIDAR系统相比增加的光程。然而，借助其他效果描述的优点提供了在测量颗粒速度方面具有很大优势的LIDAR系统。
附图说明
图1示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
图2示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
图3示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
图4示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
图5示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
图6示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中，提供了一种LIDAR系统，包括：适于生成输出光束的光束生成部；多个光束聚焦光学单元，每个具有至少一个光学元件，光学元件限定一个或多个光轴；及与光束生成部光学连接的光束控制元件，其包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置中的至少一个反射元件，所述光束控制元件位于光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个上，并且被配置为通过选择性地定位反射元件而使得可以在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导来自至少一个反射元件的输出光束，及其中，选择反射元件的选定位置，使得被引导的输出光束与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准。
在本发明的另一个优选实施例中，提供了一种LIDAR系统，包括：适于生成输出光束的光束生成部；多个光束聚焦光学单元，每个具有至少两个光学元件，所述至少两个光学元件限定一个或多个光轴；及与光束生成部光学连接的光束控制元件，其包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置中的至少一个反射元件，所述光束控制元件位于光束聚焦光学单元中的至少两个光学元件的光轴中的至少一个上，并且被配置为通过选择性地定位反射元件而使得可以在每个光束聚焦光学单元的至少两个光学元件中的至少一个光学元件之间可互换地引导来自至少一个反射元件的输出光束，及其中，选择反射元件的选定位置，使得被引导的输出光束与光束聚焦光学单元中的至少两个光学元件的光轴中的至少一个对准。
通过使光束控制元件位于光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个上，输出光束可以直接对准光束聚焦单元的光轴中的一个。因此，如果限定一个或多个光轴的至少一个光学元件中的一个变得未对准，从而形成新的光轴，则输出光束可以直接对准新的光轴，具体是通过选择性地定位反射元件。例如可能由于至少一个光学元件的机械运动而发生未对准。至少一个光学元件可以例如是透镜元件或反射元件，例如平面镜或曲面镜。
最优选地，可以在自由空间中向每个光束聚焦光学单元的至少两个光学元件中的至少一个光学元件传送输出光束。当在自由空间中传送时，由此光束控制元件可以位于光束聚焦光学单元中的至少两个光学元件的光轴中的至少一个上。
在最优选的实施例中，当对准时，至少一个反射元件可以包括反射平面。在这样的实施例中，由此反射平面的法线相对于入射在反射平面上的输出光束成角度，并且相对于光束聚焦光学单元中的至少两个光学元件的光轴中的至少一个成角度。
测量目标和体积
如前所述，本公开内容涉及测量目标的速度。因此，该系统可以被配置为用于测量固体和/或扩散的目标的速度，例如如灰尘、花粉粒、水滴和分子等的浮质。浮质可以在不同的目标体积内，从而可以测量几个目标的多个速度矢量。
在本发明的优选实施例中，该系统被配置为使得所述光束聚焦光学单元被聚焦在不同的目标体积。目标体积可以具有小于1m的直径，例如小于0.5m，径向范围小于100m，例如小于25m。为了聚焦于不同的目标体积，在多个光束聚焦光学单元之间可以存在角度偏差。例如，两个或多个光束聚焦光学单元的光轴可以以5至60度之间，例如20至60度之间的偏航角度成角度。对于后一种情况，并且如果每个光束聚焦光学单元聚焦在100米处，则目标体积可以横向分开约35至100米。除了偏航角之外，两个或更多个光束聚焦光学单元也可以以0至+/-30度之间的仰角成角度。
如前所述，系统可以是相干多普勒LIDAR系统。关于此，系统可以基于光外差探测。因此，光束聚焦光学单元可以被配置为用于接收光信号。
光学系统
在一个实施例中，系统还包括光循环器，光循环器包括被配置为与至少光束生成部和光束控制元件光学连接的至少两个端口。因此，第一端口连接到光束生成部，第二端口是光束从其发射并进一步进入MEMS的端口。在MEMS之前，当设置为相干LIDAR多普勒LIDAR时，光束可能已经通过本地振荡器生成光学器件，例如参考楔。优选地，光循环器包括三个端口，使得第三端口与检测器光学连接。因此，可以在端口3处将多普勒偏移的目标信号和参考信号传送到检测器。
如上所述的光学连接可由光纤，优选地标准单模光纤提供。例如，可以在光束生成部和光循环器的第一端口之间存在光纤。还可以存在来自光循环器的第二端口的光纤，其将输出光束耦合出光纤并进入MEMS，并且如先前所述，优选地在MEMS之前，还进入本地振荡器生成光学器件。来自第二端口的光纤部分地指定本地振荡器和后向散射光之间的延迟时间，并且因此可以以一定长度来选择以减少PIIN。从MEMS，能够将光束引导到多个光束聚焦光学单元中，使得光束能够沿着每个光束聚焦光学单元的光轴对准。此外，还可以存在从光循环器的第三端口进入检测器的光纤。正如刚才所述，这里公开的LIDAR系统可以是部分自由空间光学系统。自由空间部分可以增大LIDAR系统中的光程，使得PIIN可以相应地增大。另一方面，自由空间部分还允许在LIDAR系统中实现MEMS，从而输出光束能够沿着每个光束聚焦光学单元的光轴对准。具有MEMS的另外的效果是，它提供了使用通常是低成本的标准单模光纤的可能性。通过本发明，因此提供了一种低成本的LIDAR系统，特别是与例如需要偏振维持单模光纤的LIDAR系统相比。例如，例如在偏振控制LIDAR系统中需要偏振维持单模光纤，其中也可以将输出光束分割成具有不同偏振的信号。
在本发明的一个实施例中，光束生成部是波长可调激光器。波长可调激光器能够改变每个光束聚焦光学单元的焦距，从而提供灵活的LIDAR系统。可调激光器可以被配置为在+/-100nm的范围内调节，例如+/-50nm，例如+/-10nm，和/或例如+/-5nm。
在本发明的优选实施例中，光束生成部是全半导体光源。全半导体光源可以例如是主振荡器功率放大器(MOPA)半导体激光器，例如单片集成MOPA半导体激光器，例如发射大约1550nm的波长。如前所述，PIIN取决于光束生成部的相干时间，并且通过使用全半导体MOPA激光器，与使用其它激光源相比，相干时间可提供相对大量的PIIN。使用全半导体MOPA激光器与同样可以提供相对较大的PIIN的MEMS组合因此可以提供整体较大的PIIN。因此，这种组合可以被看作是一个重要的权衡。另一方面，具有全半导体激光器的效果可以是其提供了光束生成部的廉价且紧凑的解决方案。特别地，全半导体MOPA激光器还提供具有低或无寄生反射的LIDAR系统。此外，全半导体非常稳定，因此在稳定性非常重要的LIDAR系统中尤其在风力涡轮机顶上使用时具有极大优势。
输出光束
在本发明的一个实施例中，输出光束是连续波激光束。在本发明的另一实施例中，输出光束是脉冲波激光束。
在本发明的优选实施例中，来自每个所述光束聚焦光学单元的输出光束在1-1000米之间的焦距聚焦。在其它优选实施例中，焦距可以小于1米，例如小于0.5米，例如小于0.25米，和/或小于0.1米，和/或范围达到1000米的焦距。
来自每个所述光束聚焦光学单元的输出光束可以由波长调谐装置(例如由波长可调谐激光器)聚焦。
光束聚焦光学单元及其光轴
在本发明的优选实施例中，多个光束聚焦光学单元是三个光束聚焦光学单元，其允许确定三个速度矢量。在本发明的另一个优选实施例中，多个光束聚焦光学单元是四个或五个光束聚焦光学单元，其允许确定四个或五个速度矢量。具有四个或五个光束聚焦光学单元的效果可以是，它们对于测量颗粒速度而言，可以提供比三个光束聚焦光学单元更好的精度。
在本发明的优选实施例中，诸如用于至少一个光学元件的光轴被定义为连接每个光学表面的曲率中心的中心点的线。换句话说，光轴是连接每个光学表面的曲率中心的假想中心线。光轴可以是直线，特别是当仅存在单个光学元件时。
然而，按照与用于至少一个光学元件的相同定义，光轴也可以由两个或更多个光学元件限定。在这方面，由两个或更多个光学元件限定的光轴可以是直线，但是光轴也可以被重定向或是被重定向的线，由此形成断裂的光轴。
当使用根据本发明的反射元件的选定位置将输出光束对准光轴时，优选地在安装LIDAR系统之前选择选定位置，从而仅需进行一次对准。然而，如上所述，光轴可能由于各种原因而改变，并且在本发明的替代实施例中，在安装LIDAR系统之后选择选定位置。
选定位置可以例如被选择为使得位置基于例如发射和/或接收的信号的测量。因此，LIDAR系统可以包括主动反馈系统，确切地说主动对准系统，其向MEMS提供测量输入，以便控制反射元件的位置。
MEMS
在本发明的一个实施例中，至少在室温下将选定位置定位在小于500微度的精度。换句话说，由于MEMS的位置重复性小于500微度，可以非常精确地重新定位选定位置。因此，MEMS提供了LIDAR系统，其中输出光束沿着每个光束聚焦光学单元的光轴的对准非常精确且非常稳定。
在本发明的优选实施例中，选定位置是-25度至+25度之间的角位置，例如在-10度至+10度之间，例如在-9度至+9度之间，例如在-8度到+8度之间，例如-7度到+7度之间，例如-6度到+6度之间，例如-5度到+5度之间。反射元件能够在两个方向上倾斜，这意味着角位置可以沿着两个方向，例如x方向和y方向。
此外，MEMS可以被配置为在小于500ms(例如小于400ms，例如小于300ms，例如小于200ms，例如小于100ms，例如小于50ms，例如小于40ms，例如小于30ms，例如小于20ms，和/或例如小于10ms)内将输出光束从一个光束聚焦光学单元引导到另一个光束聚焦光学单元。以这种方式，MEMS可以提供快速移动测量方向的LIDAR系统。
优选地，反射元件可以是反射镜，即，MEMS可以包括至少一个MEMS镜。
MEMS可以具有反射镜，例如直径小于10mm，例如小于9mm，例如小于8mm，例如小于7mm，例如小于6mm，例如小于5mm，例如小于4mm，例如小于3mm，例如小于2mm和/或例如小于1mm的粘合反射镜。在其他实施例中，反射镜可以大于10。
更优选地，反射元件可以被配置为具有允许波长调谐的反射率。以这种方式，可以在LIDAR系统中实现波长调谐，从而光束聚焦光学单元的焦点可以由于波长调谐而最佳地改变。
其他光束控制元件
在本发明的优选实施例中，光束控制元件包括一个或多个光束重定向结构，从而减少反射元件的所述定位。例如，通过具有多达四个更多的光束重定向结构(诸如固定反射镜)，可以以小于5度的角位置改变反射元件的位置，使得在大于20度的方向上改变输出光束，特别是使得可以将其输出光束引导到它们的光轴彼此成大于20度角度的光束聚焦光学单元中。此外，通过这种方式，可以提供非常快速移动测量方向的LIDAR系统。
在本发明的一个实施例中，光束控制元件包括一个或多个液晶，从而可以控制所述输出光束的偏振。在该实施例的一个示例中，可以将液晶装置放置在MEMS的前面，以控制由反射元件引导的光的偏振状态。如果一些测量要求输出光束具有特定或可调偏振状态，则这样的实施例可能是有用的。在该实施例的另一示例中，液晶可以放置在每个望远镜的前面。反射元件可以沿着光束聚焦光学单元之一的光学元件切换光束，然后液晶可以在两个正交线性状态之间切换偏振。以这种方式，可以为每个望远镜提供两个输出光束，从而提供了确定一个或多个目标的更多速度矢量的可能性。
光束生成部与MEMS之间的光学连接
在本发明的一个实施例中，光束生成部和MEMS之间的光学连接借助朝向至少一个反射元件发散的输出光束，从而当与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向至少一个光学元件发散。最优选地，被引导的光束在自由空间中朝向至少一个光学元件发散。从而有助于与光轴的对准与其它传播元件无关。因此可以以简单的方式获得与光轴中的至少一个的对准。在一些实施例中，朝向至少一个反射元件发散的输出光束直接从光纤传播。
在本发明的另一个实施例中，光束生成部和MEMS之间的光学连接借助朝向至少一个反射元件会聚的输出光束，从而当与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向至少一个光学元件会聚。最优选地，被引导的光束在自由空间中朝向至少一个光学元件会聚。从而有助于与光轴的对准与其它传播元件无关。因此可以以简单的方式实现与光轴中的至少一个对准。
在本发明的第三实施例中，光束生成部和MEMS之间的光学连接借助朝向至少一个反射元件准直的输出光束，从而当与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向至少一个光学元件准直。最优选地，准直的光束在自由空间中朝向至少一个光学元件会聚。从而有助于与光轴的对准与其它传播元件无关。因此可以以简单的方式实现与光轴中的至少一个对准。
示例1：一般LIDAR系统
图1示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。激光器通过第一端口光学连接到光循环器。循环器包括三个端口，第二端口光学连接到本地振荡器生成光学器件。本地振荡器生成光学器件进一步光学耦合到MEMS反射镜，MEMS反射镜被配置为使得其能够将来自激光器、通过光循环器、通过本地振荡器生成光学器件的光引导到多个光束聚焦光学单元(这里表示为光收发器)之一中。光收发器被配置为用于从目标接收后向散射光，使得后向散射光能够被引导回到MEMS反射镜中、通过本地振荡器生成光学器件(从本地振荡器生成光学器件得到与后向散射光叠加的反射参考光束)、进入光循环器、离开端口3、进入检测器，在此信号处理器处理信号的频谱。
示例2：示出了在直线光轴上具有光学元件的两个光束聚焦光学单元的LIDAR系统
图2示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。输出光束1从光束生成部(图中未示出)向具有反射元件的MEMS 4传播，使得输出光束在在该示例中具有两个光学元件的两个光束聚焦光学单元之间重定向，即在该示例中的第一光束聚焦光学单元中的第一透镜2和第二透镜3，以及第二光束聚焦光学单元中的第一透镜7和第二透镜8。MEMS 4被配置为以角度6倾斜以便将输出光束对准光束聚焦光学单元中的两个光学元件的光轴。第一光束聚焦光学单元具有作为光束聚焦光学单元的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量目标的探测器方向重合。第二光束聚焦光学单元具有另一个光轴9，其也是光束聚焦光学单元的旋转对称轴，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量相同目标和/或另一个目标的探测器方向重合。可以看出，在这种情况下，光轴对于每个光束聚焦光学单元是直线。从该示例也可以看出，在MEMS上存在位于光轴5和另一光轴9上的反射元件。两个光轴以虚线示出。输出光束1也是测量光束，在这种情况下的光束直径或光束宽度小于MEMS的孔径，从而能够对准整个光束。
示例3：示出了在直线光轴上具有光学元件的两个光束聚焦光学单元的LIDAR系统
图3示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例。输出光束1从光束生成部(图中未示出)向具有反射元件的MEMS 4传播，使得输出光束在两个光束聚焦光学单元之间重定向，这两个光束聚焦光学单元在该示例中具有两个光学元件，即在该示例中的第一光束聚焦光学单元中的第一透镜2和第二透镜3以及第二光束聚焦光学单元中的第一透镜7和第二透镜8。MEMS 4被配置为以一定角度倾斜以便将输出光束对准光束聚焦光学单元中的两个光学元件的光轴。第一光束聚焦光学单元具有作为光束聚焦光学单元的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量目标的探测器方向重合。第二光束聚焦光学单元具有另一个光轴9，其也是光束聚焦光学单元的旋转对称轴，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量相同目标和/或另一个目标的探测器方向重合。可以看出，在这种情况下，光轴对于每个光束聚焦光学单元是直线。输出光束1也是测量光束，在这种情况下具有小于MEMS的孔径的光束直径或光束宽度，使得整个光束能够对准。在将输出光束重定向到两个光束聚焦光学单元中的一个之前，光束入射在与第一光束聚焦光学单元光学连通的第一反射元件10上，以及与第一光束聚焦光学单元光学连通的第二反射元件11上。第一反射元件和第二反射元件可以是反射镜、MEMS、光栅和/或棱镜。在这种情况下，第一反射元件和第二反射元件分别是第一光束聚焦光学单元和第二光束聚焦光学单元的光学元件。从该示例可以看出，第一光轴5包括两个光轴5、5'，因为反射元件10将光轴5断开为两个光轴5和5'。类似地，第二光轴9包括两个光轴9和9'，因为第二反射元件11将第二光轴9断开为两个光轴9和9'。所有的光轴都用虚线表示。从这个示例也可以看出，在MEMS上存在位于光轴5和5'以及其他光轴9和9'上的反射元件。
示例4：示出了在断开的光轴上具有光学元件的光束聚焦光学单元的LIDAR系统
图4示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例，其中仅示出了单个光束聚焦光学单元。输出光束1从光束生成部(图中未示出)向光束聚焦光学单元传播，在该示例中光束聚焦光学单元具有两个光学元件，在该示例中为第一透镜2和第二透镜3。MEMS 4放置在第一透镜和第二透镜之间，并且被配置为以一定角度倾斜，以将输出光束对准光束聚焦光学单元中的一个光学元件(在此情况下是第二透镜3)的光轴。第二透镜3具有作为第二透镜的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与第二透镜的机械轴和必须在其上测量目标的探测器方向重合。具有如图4所示的设置的效果在于第一光学元件2可以是用于多个光束聚焦光学单元的公共光学元件。以这种方式，可以节省用于其余光束聚焦光学单元的第一光学元件。从该示例还可以看出，光轴是断开的光轴，因为它穿过第一透镜的中心和第二透镜的中心。由于MEMS 4的成角度定位受限，对透镜2的焦距和尺寸施加了限制。从该示例可以看出，第一光轴5包括两个光轴5和5'，因为在MEMS 4上的反射元件将光轴5断开为两个光轴5和5'。所有的光轴都用虚线表示。从该示例还可以看出，位于光轴5和5'上的MEMS上的反射元件。
示例5：示出了1在断开的光轴上具有光学元件的两个光束聚焦光学单元的LIDAR系统
图5示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例，其中示出了两个光束聚焦光学单元。输出光束1从光束生成部(图中未示出)向光束聚焦光学单元传播，在该示例中光束聚焦光学单元具有两个光学元件，即在该示例中为第一聚焦光学单元的第一透镜2和第二透镜3，以及第二光束聚焦光学单元的第一透镜2和第二透镜8。MEMS 4放置在第一透镜2之后，作为用于两个光束聚焦光学单元的公共光学透镜元件，并且MEMS被配置为以一定角度倾斜以便将输出光束对准光束聚焦光学单元中的光学元件中的一个的光轴，在这种情况下，是第一光束聚焦光学单元的第二透镜3和第二光束聚焦光学单元的第二透镜8。第二透镜3具有作为第二透镜的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与第二透镜3的机械轴线和必须在其中测量目标的探测器方向重合。第二透镜8具有作为第二透镜8的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与第二透镜的机械轴和必须在其中测量目标的探测器方向重合。具有如图4所示的设置的效果在于第一光学元件2可以是用于多个光束聚焦光学单元的公共光学元件。以这种方式，可以节省用于其余光束聚焦光学单元的第一光学元件。从该示例还可以看出，光轴是断开的光轴，因为它穿过第一透镜2的中心和第二透镜3、8的中心。包括两个额外的反射元件10、11以减少与空间限制有关的问题，以及在期望的方向5、9上引导测量光束1。在该设置中，可以以与MEMS的角度定位相结合的角位置调整两个额外元件10、11，使得可以调整测量光束1以便使其分别与光轴重合。根据本发明，可以使用MEMS的角度定位来减少机械调整的次数，例如诸如透镜或反射镜之类的光学元件的调整。在该示例中，两个额外元件10、11被示为两个单独的元件，但是可替换地，也可以将它们组合为单个元件，仍然负责将来自MEMS的光束重定向到两个期望的方向5、9。从该示例可以看出，第一光轴5包括两个光轴5和5'，因为反射元件10将光轴5断开为两个光轴5和5'。类似地，第二光轴9包括两个光轴9和9'，因为第二反射元件11将第二光轴9断开为两个光轴9和9'。所有的光轴都用虚线表示。从该示例还可以看出，在MEMS上存在位于光轴5'和9'上的反射元件。
示例6：示出了在断开的光轴上具有光学元件的两个光束聚焦光学单元的LIDAR系统
图6示出了根据本发明的LIDAR系统的实施例，其中每个光束聚焦光学单元都有一个光学元件。发散输出光束1从光束生成部(该图中未示出)朝向MEMS 4传播。发散输出光束可以来自光纤。MEMS具有反射元件，使得输出光束在两个光束聚焦光学单元之间重定向，在该示例中，每个光束聚焦单元具有一个光学元件。此外，在该示例中，在第一光束聚焦光学单元中存在透镜3，在第二光束聚焦光学单元中存在透镜8。MEMS 4被配置为以一定角度倾斜，以将输出光束对准光束聚焦光学单元中的一个光学元件的光轴。第一光束聚焦光学单元具有作为光束聚焦光学单元的旋转对称轴的光轴5，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量目标的探测器方向重合。第二光束聚焦光学单元具有另一个光轴9，其也是光束聚焦光学单元的旋转对称轴，在这种情况下，光轴与光束聚焦光学单元的机械轴线和必须在其中测量相同目标和/或另一个目标的探测器方向重合。可以看出，在这种情况下，光轴对于每个光束聚焦光学单元是直线。从该示例还可以看出，在MEMS上存在位于光轴5和另一光轴9上的反射元件。两个光轴以虚线示出。输出光束1也是测量光束，具有发散角。在这种情况下，发散角限制了光束生成部(图中未示出)与MEMS之间的距离，从而能够对准整个光束。

Claims (24)

1.一种LIDAR系统，包括：
光束生成部，所述光束生成部适于生成输出光束；
多个光束聚焦光学单元，每个光束聚焦光学单元具有至少一个光学元件，所述光学元件限定一条或多条光轴；及
光束控制元件，所述光束控制元件与所述光束生成部光学连接，并且包括微机电系统MEMS，所述微机电系统包括适于布置在多个位置的至少一个反射元件，
所述光束控制元件位于所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个上，及被配置为通过选择性地定位所述反射元件而使得能够在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导来自所述至少一个反射元件的输出光束，及其中，选择所述反射元件的选定位置，使得被引导的输出光束与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准，
其特征在于，
如果所述至少一个光学元件中的一个未对准，从而形成新的光轴，则所述至少一个反射元件被定位为使得来自所述至少一个反射元件的输出光束在自由空间中传播至所述至少一个光学元件，由此所述输出光束直接对准所述新的光轴。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述系统被配置为用于测量固体和/或扩散的目标的速度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述系统被配置为使得所述光束聚焦光学单元被聚焦在不同的目标体积。
4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述系统是相干多普勒LIDAR系统。
5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述系统还包括光循环器，所述光循环器包括被配置为与至少所述光束生成部和所述光束控制元件光学连接的至少两个端口。
6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，所述光学连接由标准单模光纤提供。
7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部是波长可调激光器。
8.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部是全半导体光源。
9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述输出光束是连续波激光束。
10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述输出光束是脉冲波激光束。
11.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，来自每个所述光束聚焦光学单元的所述输出光束在1-1000米之间的焦距处聚焦。
12.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，来自每个所述光束聚焦光学单元的所述输出光束由波长调谐装置聚焦。
13.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，将所述选定位置定位至小于500微度的精度。
14.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述选定位置是-25度至+25度之间的角位置。
15.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述MEMS被配置为在小于500ms内将所述输出光束从一个光束聚焦光学单元引导到另一个光束聚焦光学单元。
16.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述MEMS被配置为在小于200ms内将所述输出光束从一个光束聚焦光学单元引导到另一个光束聚焦光学单元。
17.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述MEMS被配置为在小于10ms内将所述输出光束从一个光束聚焦光学单元引导到另一个光束聚焦光学单元。
18.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述反射元件是反射镜。
19.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述反射元件被配置为具有允许波长调谐的反射率。
20.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束控制元件包括一个或多个光束重定向结构，从而减少所述反射元件的所述定位。
21.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束控制元件包括一个或多个液晶，从而能够控制所述输出光束的偏振。
22.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部和所述MEMS之间的光学连接借助朝向所述至少一个反射元件发散的输出光束，使得当与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向所述至少一个光学元件发散。
23.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部和所述MEMS之间的光学连接借助朝向所述至少一个反射元件会聚的输出光束，使得当与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向所述至少一个光学元件会聚。
24.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部和所述MEMS之间的光学连接借助朝向所述至少一个反射元件准直的输出光束，使得当与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准时，被引导的输出光束朝向所述至少一个光学元件准直。
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