CN107843886B - 一种非机械式扫描激光雷达光学装置和激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非机械式扫描激光雷达光学装置和激光雷达系统，该装置包括激光发射单元、发射MEMS振镜、MEMS振镜驱动单元、负透镜、接收MEMS振镜阵列和光学接收单元；经所述激光发射单元发射的激光入射至所述发射MEMS振镜，经所述发射MEMS振镜出射的激光经所述负透镜对被测物进行扫描；所述接收MEMS振镜阵列接收在所述被测物上发生漫反射的激光，并将接收的激光反射至所述光学接收单元；所述MEMS振镜驱动单元用于调整所述发射MEMS振镜的偏转角度以及调整所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜的偏转角度。相比与采用电机驱动实现激光扫描的装置，该装置中MEMS振镜的使用提高了扫描激光雷达光学装置的稳定性，延长了使用寿命、简化了结构，缩小了尺寸。

Description

一种非机械式扫描激光雷达光学装置和激光雷达系统
技术领域
本发明属于激光雷达领域，尤其是涉及一种非机械式扫描激光雷达光学装置和激光雷达系统。
背景技术
随着激光技术的不断发展，高扫频、远距离、高精度、小体积的激光雷达的需求不断增加，对激光领域和相关配合领域提出了新的要求和挑战。激光雷达对其核心光学系统的稳定性、空间尺寸有着严格的要求，稳定性的高低会严重影响到激光雷达的测距精度及使用寿命，空间尺寸过大则会使激光雷达整体尺寸偏大不易于与其他系统集成使用。提高光学系统的稳定性、减小空间尺寸在一定程度上能够提高激光雷达系统的稳定性、使用寿命，有利于激光雷达与其他系统的集成使用，
然而，目前常用的机械式扫描激光雷达光学系统结构较为复杂，同时机械扫描结构也会降低系统稳定性、使用寿命，且增大了系统空间尺寸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提高扫描激光雷达光学装置的系统稳定性、简化结构、延长使用寿命。
针对以上技术问题，本发明提供了一种非机械式扫描激光雷达光学装置，包括激光发射单元、发射MEMS振镜、MEMS振镜驱动单元、负透镜、接收MEMS振镜阵列和光学接收单元；
经所述激光发射单元发射的激光入射至所述发射MEMS振镜，经所述发射MEMS振镜出射的激光经所述负透镜对被测物进行扫描；
所述接收MEMS振镜阵列接收在所述被测物上发生漫反射的激光，并将接收的激光反射至所述光学接收单元；
所述MEMS振镜驱动单元用于调整所述发射MEMS振镜的偏转角度以及调整所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜的偏转角度。
优选地，所述MEMS振镜驱动单元用于驱动所述发射MEMS振镜和所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜在两个相互垂直的方向上振动。
优选地，所述激光发射单元包括激光发生器和光束整形镜组；
所述激光发生器与所述光束整形镜组的主光轴重合。
优选地，所述激光发生器包括激光驱动部件和激光发射部件，所述激光驱动部件用于调制从所述激光发射部件出射的激光。
优选地，所述光束整形镜组由至少一片自由曲面透镜或者至少两片普通透镜组成，用于对入射的激光进行整形。
优选地，所述光学接收单元包括接收光学镜组和光电探测器；
所述接收MEMS振镜阵列、所述接收光学镜组和所述光电探测器的主光轴重合。
优选地，所述接收光学镜组由至少二组镜片组成，用于将从所述的接收MEMS振镜阵列反射的激光汇聚到所述光电探测器上。
优选地，所述接收MEMS振镜阵列在主光轴方向上的投影面积大于或等于所述接收光学镜组的有效孔径，且所述接收MEMS振镜阵列中的MEMS振镜的振动方向根据所述发射MEMS振镜的振动方向调节。
优选地，所述光束整形镜组、所述负透镜和所述接收光学镜组均由对近红外光有高透过率的材料形成，所述负透镜用于扩大经发射MEMS振镜反射的激光的扫描视场。
另一方面，本发明还提供了一种激光雷达系统，包括上述的非机械式扫描激光雷达光学装置。
本发明提供了一种非机械式扫描激光雷达光学装置和激光雷达系统，该非机械式扫描激光雷达光学装置通过MEMS振镜驱动单元改变发射MEMS振镜的偏移角度，从而对入射至发射MEMS振镜上的激光进行扫描角度的调节。同时，通过MEMS振镜驱动单元改变接收MEMS振镜阵列中的每个振镜的偏移角度，从而降低光学接收单元的接收视场角。相比与采用电机驱动实现激光扫描的装置，MEMS振镜提高了扫描激光雷达光学装置的稳定性，延长了使用寿命。此外，由于MEMS振镜是通过对激光入射角度的改变实现激光扫描，简化了扫描激光雷达光学装置的结构，缩小了尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明一个实施例提供的非机械式扫描激光雷达光学装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的非机械式扫描激光雷达光学装置的激光发射单元所在的一侧的结构示意图；
图3是本发明一个实施例提供的非机械式扫描激光雷达光学装置光学接收单元所在的一侧的结构示意图；
附图标记：101-激光发射单元、102-发射MEMS振镜、103-MEMS振镜驱动单元、104-负透镜、105-接收MEMS振镜阵列、106-光学接收单元、107-被测物、108-调制激光、1011-激光驱动部件、1012-激光发射部件、1013-光束整形镜组、1061-接收光学镜组、1062-光电探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本实施例提供的非机械式扫描激光雷达光学装置的结构示意图。参见图1，该非机械式扫描激光雷达光学装置，包括激光发射单元101、发射MEMS振镜102、MEMS振镜驱动单元103、负透镜104、接收MEMS振镜阵列105和光学接收单元106；
经激光发射单元101发射的激光入射至发射MEMS振镜102，经发射MEMS振镜102出射的激光经负透镜104对被测物107进行扫描；
接收MEMS振镜阵列105接收在被测物107上发生漫反射的激光，并将接收的激光反射至光学接收单元106；
MEMS振镜驱动单元103用于调整发射MEMS振镜102的偏转角度以及调整接收MEMS振镜阵列105中的每一个MEMS振镜的偏转角度。
其中，MEMS振镜是指能够通过微电子机械系统驱动偏转方向的镜面。MEMS振镜采用静电驱动和电容反馈，MEMS振镜由镜面、可动框架和外框架构成，每个机构均分布了垂直梳齿驱动器。MEMS振镜可以在外加驱动信号下进行简弦振动，例如，MEMS振镜可以通过两个垂直方向上的简谐振动合成为李萨如图形，即激光束扫描的路径遵循李萨如图形。
需要说明的是，现有的机械式扫描激光雷达光学装置的结构采用电机驱动的方式实现对被测物的激光扫描。由于电机在使用过程中容易受到外界的影响，例如，外界的冲击，且电机的使用寿命较短，需要经常更换，使得传统的扫描激光雷达光学装置系统稳定性差，且使用寿命短。另一方面，使用电机驱动激光扫面的光学装置中，由于电机的尺寸较大，导致扫描激光雷达光学装置体积庞大，结构复杂，不容易和其它装置进行组装集成使用。
本实施例提供的非机械式扫描激光雷达光学装置通过MEMS振镜驱动单元改变发射MEMS振镜的偏移角度，从而对入射至发射MEMS振镜上的激光进行扫描角度的调节。同时，通过MEMS振镜驱动单元改变接收MEMS振镜阵列中的每个振镜的偏移角度，从而降低光学接收单元的接收视场角。相比与采用电机驱动实现激光扫描的装置，MEMS振镜提高了扫描激光雷达光学装置的稳定性，延长了使用寿命。此外，由于MEMS振镜是通过对激光入射角度的改变实现激光扫描，简化了扫描激光雷达光学装置的结构，缩小了尺寸。
具体地，所述MEMS振镜驱动单元用于驱动所述发射MEMS振镜和所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜在两个相互垂直的方向上振动。
所述MEMS振镜驱动单元能够驱动所述发射MEMS振镜和所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜在两个方向上同时发生振动。
进一步地，如图2所示，所述激光发射单元包括激光发生器(图2中的激光驱动部件1011和激光发射部件1012)和光束整形镜组1013；
激光发生器与光束整形镜组1013的主光轴重合。
进一步地，激光发生器包括激光驱动部件1011和激光发射部件1012，激光驱动部件1011用于调制从所述激光发射部件1012出射的激光。
经过调制的激光经过光束整形镜组1013进行初步整形后经过所述发射MEMS振镜102进行角度偏转，经负透镜104扩大经发射MEMS振镜102反射的激光的扫描视场，并进一步对激光进行整形，得到调制激光108，调制激光108对被测物进行激光扫描。
进一步地，所述光束整形镜组由至少一片自由曲面透镜或者至少两片普通透镜组成，用于对入射的激光进行整形。
进一步地，如图3所示，所述光学接收单元106包括接收光学镜组1061和光电探测器1062；
所述接收MEMS振镜阵列、所述接收光学镜组和所述光电探测器的主光轴重合。
其中，光电探测器1062位于接收光学镜组1061的焦平面上。
进一步地，所述接收光学镜组由至少二组镜片组成，用于将从所述的接收MEMS振镜阵列反射的激光汇聚到所述光电探测器上。
进一步地，所述接收MEMS振镜阵列在主光轴方向上的投影面积大于或等于所述接收光学镜组的有效孔径，且所述接收MEMS振镜阵列中的MEMS振镜的振动方向根据所述发射MEMS振镜的振动方向调节。
其中，所述接收MEMS振镜阵列由n×m的MEMS振镜组成，其中n≥2，m≥2。
所述接收MEMS振镜阵列中的各个振镜单元的振动方向根据所述发射MEMS振镜的振动方向进行调节，被测物表面的漫反射光经所述接收MEMS振镜阵列反射到所述接收光学镜组，通过各个振镜单元反射角度的调节降低所述接收光学镜组的接收视场角，从而简化接收镜组结构。
所述接收光学镜组用于将所述的接收MEMS振镜阵列反射的光线汇聚到光电探测器上。
发射MEMS振镜和接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜的振动方向均由MEMS振镜驱动单元控制，MEMS振镜驱动单元根据发射MEMS振镜的振动方向，相应地调节接收MEMS振镜中的MEMS振镜的振动方向。
进一步地，所述光束整形镜组、所述负透镜和所述接收光学镜组均由对近红外光有高透过率的材料形成，所述负透镜用于扩大经发射MEMS振镜反射的激光的扫描视场。
光束整形镜组用于对由激光发射单元发射的激光进行初步整形，负透镜用于对入射的激光进行进一步的整形。
作为更为具体的实施例，结合图1、图2和图3可知，激光驱动部件1011对激光发射部件1012进行调制，激光发射部件1012发出调制光束108。调制光束108经过光束整形镜组1013后被初步整形。初步整形后的调制光束108以一定角度入射到发射MEMS振镜102。在MEMS振镜驱动单元103驱动下发射MEMS振镜102发生偏转，初步整形后的调制光束108随发射MEMS振镜102偏转并以一定的入射角度进入负透镜104。负透镜104对调制光束108进行最终的整形并进一步扩大调制光束108偏转角度，对被测物107进行扫描。
MEMS振镜驱动单元103根据调制光束108的扫描角度驱动接收MEMS振镜阵列105。不同角度的漫反射光束经接收MEMS振镜阵列105反射进入接收光学镜组1061。接收光学镜组1061将漫反射光束汇聚于光电探测器1062。
该非机械式扫描激光雷达光学装置使用非机械式扫描光学系统提高了系统的稳定性及使用寿命。相比与传统的由电机驱动的机械式扫描激光雷达光学装置，本实施例提供的装置简化了光学结构，降低了光学系统的设计难度，减小了装置的空间尺寸。
另一方面，本实施例还提供了一种激光雷达系统，包括以上实施例中所述的非机械式扫描激光雷达光学装置。
本实施例提供的激光雷达系统，包括了以上实施例中的非机械式扫描激光雷达光学装置，该装置通过MEMS振镜驱动单元改变发射MEMS振镜的偏移角度，从而对入射至发射MEMS振镜上的激光进行扫描角度的调节。同时，通过MEMS振镜驱动单元改变接收MEMS振镜阵列中的每个振镜的偏移角度，从而降低光学接收单元的接收视场角。相比与采用电机驱动实现激光扫描的装置，MEMS振镜提高了扫描激光雷达光学装置的稳定性，延长了使用寿命。此外，由于MEMS振镜是通过对激光入射角度的改变实现激光扫描，简化了扫描激光雷达光学装置的结构，缩小了尺寸。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非机械式扫描激光雷达光学装置，其特征在于，包括激光发射单元、发射MEMS振镜、MEMS振镜驱动单元、负透镜、接收MEMS振镜阵列和光学接收单元；
经所述激光发射单元发射的激光入射至所述发射MEMS振镜，经所述发射MEMS振镜出射的激光经所述负透镜对被测物进行扫描；
所述接收MEMS振镜阵列接收在所述被测物上发生漫反射的激光，并将接收的激光反射至所述光学接收单元；
所述MEMS振镜驱动单元用于调整所述发射MEMS振镜的偏转角度以及调整所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜的偏转角度；
所述光学接收单元包括接收光学镜组；
所述接收MEMS振镜阵列在主光轴方向上的投影面积大于或等于所述接收光学镜组的有效孔径，且所述接收MEMS振镜阵列中的MEMS振镜的振动方向根据所述发射MEMS振镜的振动方向调节。
2.根据权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述MEMS振镜驱动单元用于驱动所述发射MEMS振镜和所述接收MEMS振镜阵列中的每一个MEMS振镜在两个相互垂直的方向上振动。
3.根据权利要求2中所述的装置，其特征在于，所述激光发射单元包括激光发生器和光束整形镜组；
所述激光发生器与所述光束整形镜组的主光轴重合。
4.根据权利要求3中所述的装置，其特征在于，所述激光发生器包括激光驱动部件和激光发射部件，所述激光驱动部件用于调制从所述激光发射部件出射的激光。
5.根据权利要求4中所述的装置，其特征在于，所述光束整形镜组由至少一片自由曲面透镜或者至少两片普通透镜组成，用于对入射的激光进行整形。
6.根据权利要求5中所述的装置，其特征在于，所述光学接收单元还光电探测器；
所述接收MEMS振镜阵列、所述接收光学镜组和所述光电探测器的主光轴重合。
7.根据权利要求6中所述的装置，其特征在于，所述接收光学镜组由至少二组镜片组成，用于将从所述的接收MEMS振镜阵列反射的激光汇聚到所述光电探测器上。
8.根据权利要求3中所述的装置，其特征在于，所述光束整形镜组、所述负透镜和所述接收光学镜组均由对近红外光有高透过率的材料形成，所述负透镜用于扩大经发射MEMS振镜反射的激光的扫描视场。
9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的非机械式扫描激光雷达光学装置。
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