CN109557555A

CN109557555A - 扫描镜和激光雷达

Info

Publication number: CN109557555A
Application number: CN201811463791.6A
Authority: CN
Inventors: 陈泽
Original assignee: Beijing Awakening Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Awakening Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2019-04-02

Abstract

本发明提供了一种扫描镜，包括反射光束的反射镜以及弹片。弹片包括框架部和振动部，振动部经由连接部弹性连接至框架部，并且附接至反射镜。振动部带动反射镜围绕横轴相对于框架部往复转动，从而在垂直于所述横轴的方向上扫描光束。基于这一技术方案，可以利用单一扫描镜以不同扫描角度反射同一光束，形成具有不同的角度取向的多个扫描光束，达到近似多线式激光雷达的扫描效果，但显著降低了成本。另外，本发明还提供了一种包括该扫描镜的激光雷达，其可以兼顾低成本、小体积、高性能。

Description

扫描镜和激光雷达

技术领域

本申请涉及扫描镜，具体涉及用于扫描光束的一维机械式振镜，以及集成了这一振镜的激光雷达。

背景技术

车辆可以被配置为以自主模式操作，其中，车辆在具有很少或没有驾驶员介入的情况下导航通过环境。这种自主车辆可以包括配置为检测关于车辆周围的环境的信息的一个或多个传感器，例如激光雷达。

激光雷达具有激光器和探测器，探测器可以探测由激光器发出、并由反射对象反射的激光，通过测量激光的飞行时间可以确定反射对象的距离。利用激光雷达快速且重复地扫描一定区域，可以获得该区域中的全部反射对象的距离的连续实时信息。结合距离、激光取向和测量时间，可以生成反映各种反射对象的形貌、位置和运动的“点云”数据，通过分析该“点云”数据，可以辅助或实现车辆的自主操作。

现有技术提供了多种结构的激光雷达。例如，固态激光雷达采用MEMS二维扫描镜扫描激光，其具有结构紧凑、扫描速度快等优点，但限于半导体工艺的制约，MEMS扫描镜的成本十分高昂，限制了固态激光雷达的应用。多线式激光雷达采用竖直方向上排成一列的多个激光器，利用旋转结构旋转多个激光器实现在水平方向上的扫描，这种结构虽然可降低成本，但具有体积大、线束受限等问题，其性能难以满足日益增长的需求。

因此，实践中期望提供一种全新结构的扫描镜，用于实现低成本、小体积、高性能的激光雷达。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种全新结构的用于激光雷达的扫描镜，以及包括该扫描镜的激光雷达，兼顾低成本、小体积、高性能。

根据本发明的一方面，提供了一种扫描镜，包括反射光束的反射镜以及弹片。弹片包括：框架部；以及振动部，其经由连接部弹性连接至框架部，并且附接至反射镜。振动部带动反射镜围绕横轴相对于框架部往复转动，从而在垂直于所述横轴的方向上扫描光束。基于这一技术方案，可以利用单一扫描镜以不同扫描角度反射同一光束，形成具有不同的角度取向的多个扫描光束，达到近似多线式激光雷达的扫描效果，但显著降低了成本。

可选地，框架部包括对称地分布在横轴两侧的第一半部和第二半部，振动部和反射镜位于第一半部和第二半部之间；并且，连接部包括对称地分布在纵轴两侧的第一连接部和第二连接部，纵轴和横轴垂直相交，振动部和反射镜位于第一连接部和第二连接部之间。基于这一技术方案，弹片可以具有二重对称性，从而便于加工和控制。

可选地，第一连接部包括：主梁，其沿着横轴从振动部延伸至中间点；第一副梁，其从中间点延伸至第一半部的端点；第二副梁，其从中间点延伸至第二半部的端点，第一副梁和第二副梁关于横轴对称。

可选地，第一副梁从中间点依次经第一腿部、拐角部和第二腿部延伸至第一半部的所述端点，其中，第一腿部和第二腿部彼此平行且相对，并且和主梁之间形成锐角。基于这一技术方案，第一副梁具有两段式弯折部，可显著延长其延伸的长度。

可选地，第一副梁从中间点依次经第一腿部、第一拐角部、第二腿部、第二拐角部和第三腿部延伸至第一半部的所述端点，其中，第一腿部、第二腿部和第三腿部彼此平行且相对，并且和主梁之间形成锐角。基于这一技术方案，第一副梁具有三段式弯折部，可显著延长其延伸的长度。

可选地，第一副梁的长度为中间点延伸至第一半部的所述端点的直线距离的3～10倍，优选为5倍。基于这一技术方案，第一副梁的长度延长，可以降低连接部上的应力集中，并便于调控振动部的振动频率。

可选地，所述反射镜具有圆形的反射面，该圆形的直径大于10mm。基于这一技术方案，反射镜的接收口径显著大于MEMS扫描镜的接收口径，可用于长距离探测。

可选地，所述弹片采用金属板片机械加工而成。基于这一技术方案，扫描镜的加工摆脱了半导体工艺加工MEMS扫描镜的约束，可显著降低成本。

可选得，振动部具有沿所述第二轴线延伸的沟槽，所述沟槽暴露反射镜的背面，反射镜的背面接收来自测量光源的光束，并将光束反射至线性探测器，线性探测器基于反射光束的位置测量反射镜围绕横轴的转动角度；并且，两个磁铁关于反射镜的圆心对称地设置在振动部的背部，并且，两个磁铁在电磁铁的作用下驱动振动部和反射镜围绕横轴往复转动。

根据本发明的另一方面，提供了一种激光雷达，包括：激光器，其发出发射光，发射光在环境中的对象处产生反射光；探测器，其探测反射光，由此确定所述对象的距离；以及上文所述的扫描镜。扫描镜将发射光反射至所述对象，其中，扫描镜的反射镜围绕第一轴线转动，使得发射光在第一方向上扫描，并且，扫描镜的整体围绕第二轴线转动，使得发射光在不同于第一方向的第二方向上扫描。本发明的激光雷达具有兼顾低成本、小体积、高性能的优点。

通过阅读以下详细描述并适当参考附图，其他方面、实施例和实现方案对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的激光雷达的结构框图；

图2示出了根据本发明的激光雷达的透视图；

图3示出了根据本发明的激光雷达的光路结构的透视图；

图4示出了根据本发明的激光雷达的扫描结构的透视图；

图5示出了根据本发明的激光雷达的振镜的正视图；

图6示出了根据本发明的激光雷达的振镜的后视图；

图7示出了根据本发明的激光雷达的振镜的侧视图；

图8示出了根据本发明的另一实施例的弹片的正视图；

图9示出了根据本发明的激光雷达的振镜和电磁铁的后透视图；

图10示出了根据本发明的激光雷达的振镜和位置测量器件的透视图；

图11示出了根据本发明的激光雷达的透视图及其产生的激光投射面。

附图标记：

1 激光器 73 线性探测器

2 探测器 8 第二驱动器

3 振镜，扫描镜 81 步进电机

31 振动部 9 第二测量模块

32 连接部 91 码盘

321 主梁 92 编码器

322 第一副梁 X 振动轴，横轴

324 第二副梁 Y 转动轴

33 框架部 L1 发射光

331 第一半部 L2 反射光

332 第二半部 P0 主电路板

4 光学结构 P1 激光器电路板

41 第一反射镜 P2 探测器电路板

42 第一透镜 P3 第一测量电路板

43 第二反射镜 P4 第二测量电路板

431 狭缝 H0 主支架

44 透镜 H1 第一光学支架

45 第三反射镜 H2 第二光学支架

5 扫描结构 H3 振镜支架

6 第一驱动器 H4 安装板

61 电磁铁 W 壳体

62 磁体 W1 上壳体

63 反射沟槽 W2 下壳体

7 第一测量模块 O 视窗

71 光源 B 基体设备

72 转向镜

M 反射镜 34 胶条

S 弹片 L1 第一腿部的长度

Z 弯折部 L2 拐角部的长度

Z1 第一腿部 d1 主梁的宽度

Z2 第二腿部 d2 副梁的宽度

Z3 第一拐角部 γ 第一腿部和主梁的夹角

Z4 第二拐角部 X’ 纵轴

Z5 第三腿部

具体实施方式

下面参考附图参照各种实施例描述本发明。尽管根据实现本发明目的的最佳模式描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以鉴于这些教导实现各种变型。

概述

图1示出了根据本发明的雷达的结构框图。雷达包括激光器1和探测器2，激光器1以特定频率(例如，125kHz)连续发出脉冲形式的激光，其波长例如为905nm。发射光投射到位于一定距离处的对象(例如，建筑物、行人、车辆、交通标志等)处，并产生反射光。探测器2可以接收该反射光。通过测算发出激光脉冲与接收到反射光脉冲之间的时间差△t，获得对象距离激光器1的距离d＝C△t/2(C为光速)。

雷达包括振镜3，振镜3可以接收来自激光器1的发射光，并将其反射而投射到待测空间中；另一方面，振镜3可以接收来自待测空间中对象的反射光，并将其反射而投射到探测器2。通过使用振镜3，可以实现同轴光路设计，即，在从振镜3到待测空间的外部光路部分中，发射光和反射光的光路基本重合。在从振镜3到激光器1和探测器2的内部光路部分中，可以设计合适的光学结构4来引导发射光和反射光，以满足具体的结构和光学需求。

雷达还包括扫描结构5，用于在竖直和水平方向两个方向上扫描发射光，将来自激光器1的点状投射光转变为的面状投射光，从而可以在更大空间范围内探测对象。如图1所示，在振镜3之外，扫描结构5包括第一驱动器6和第二驱动器8。第一驱动器6可以驱动振镜3围绕振动轴X在一定角度范围内上下往复转动，振动轴X沿水平方向延伸，由此，可以产生在竖直方向上下扫描的一维扫描光；进一步，第二驱动器8可以驱动振镜3围绕转动轴Y在一定角度范围内左右往复转动，转动轴Y沿竖直方向延伸，由此，可以在竖直方向的上下扫描运动基础上叠加水平方向的左右扫描运动，从而将的一维扫描光进一步转换为二维扫描光。

扫描结构5还包括用于实时测量振镜3的偏转角度的第一测量模块7和第二测量模块9。在扫描期间，第一测量模块7测量振镜3相对振动轴X的偏转角度α_i；第二测量模块9测量振镜3相对于旋转轴Y的偏转角度β_i。通过角度组合(α_i,β_i)可确定某一时刻激光雷达发出的发射光束的特定取向。如上所述，通过测算在各个取向(α_i,β_i)下的发射光和接收光的时间差，可以获得各个取向(α_i,β_i)下的对象的距离d_i，由此，可以获得表示激光雷达的视场范围内的三维环境信息的点云(α_i,β_i,d_i)。处理器可以接收该点云，并进行分析和处理，从而实现特定功能。例如，在将激光雷达应用于无人驾驶车辆的情况下，车载计算机可以接收和分析来自激光雷达的点云数据，获得车辆周围的对象情况，由此产生特定的控制策略，控制车辆进行转向、变速、启停等功能，从而实现无需驾驶员介入的智能驾驶。

下面结合图2至图11详细说明根据本发明的激光雷达的实施例。

光学结构

激光雷达包括用于在雷达装置的内部引导发射光和反射光的光学结构。图3示出了光学结构的主要部件，清楚起见，图3相比于图2的总体视图省略了光学结构以外的部件。激光器1电连接至激光器电路板P1，激光器电路板P1上承载的电路适于驱动激光器1。探测器2电连接至探测器电路板P2，探测器电路板P2上承载的电路适于接收和传输来自探测器2的输出信号。激光器电路板P1和探测器电路板P2二者彼此平行设置，并在同一侧垂直端接至主电路板P0，主电路板P0上可承载处理器、存储器、I/O接口等电学部件。主电路板P0可以与激光器电路板P1、探测器电路板P2电连接，由此，处理器可以控制激光器1脉冲发光，并且处理来自探测器2的输出信号，产生并输出表征三维环境状况的点云数据。

为方便描述，本文参考电路板P0的位置定义坐标系，包括彼此垂直的竖直方向V、前后方向F和横向方向T。电路板P0在竖直方向V和横向方向T限定的平面中布置，激光器电路板P1、探测器电路板P2沿前后方向F向前延伸。

如图3所示，激光器1布置为向前发射发射光L1。第一反射镜41设置在激光器1的前方，与发射光L1成45度角，由此，第一反射镜41引导发射光L1偏转90度，使其沿竖直方向V向上传输。发射光L1向上传输依次经过第一透镜42、第二反射镜43，而后抵达振镜3的振动部31处的反射表面。第二反射镜43设置有贯通的狭缝431，允许发射光L1未经反射地穿过第二反射镜43。第一透镜42设置在第一反射镜41和第二反射镜43之间，第一透镜42的光轴穿过狭缝431，由此，可以会聚并偏转发射光L1使其准确穿过狭缝431。第一透镜42的偏转作用可以抵消由于安装误差引起的发射光L1的偏差，从而降低了对安装精度的要求，简化了安装工艺。

振镜3与发射光L1成角度地布置，例如成45度角，从而引导发射光L1大致向前方传输至待测空间中。如下文将详述，随着振镜3的竖直振动和水平旋转，发射光L1将在二维方向上扫描。发射光L1经环境中的对象反射产生反射光L2。照射在振镜3的反射表面上的反射光L2由振镜3偏转一定角度，沿大致竖直向下的方向照射至第二反射镜43的反射表面(上表面)上。第二反射镜43与竖直方向V成45度角，由此，第二反射镜43可以引导反射光L2向后方传输。由于第二反射镜43上的狭缝431面积很小，大部分反射光L2得以反射。反射光L2向后传播依次经过第二透镜44、第三反射镜45而抵达探测器2。第三反射镜45设置在电路板P1和P2之间，并与第二反射镜43垂直，从而引导反射光L2继续偏转，使其沿竖直方向V向上传输至探测器2。第二透镜44设置在第二反射镜43和第三反射镜45之间，第二透镜44可以使发散的反射光L2会聚至探测器2。

如上所述，第一反射镜41、第一透镜42、第二反射镜43、振镜3、第二透镜44和第三反射镜45组成光学结构，这一光学结构可以有利地实现同轴光路，并兼顾结构的紧凑性。具体而言，在从第二反射镜43经由振镜3到外部空间的光路中，发射光L1和反射光L2基本同轴设置，这有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。另外，第一反射镜41折叠发射光L1的光路，第三反射镜45折叠反射光L2的光路，可以极大地缩减光学结构4的占用空间，并允许激光器1和探测器2邻近布置，易于电连接至同一主电路板P0。

另外，结合参考图2和图3，可以采用第一光学支架H1支撑第一反射镜41、第一透镜42、第二反射镜43以及安装激光器1的安装板11，第一光学支架H1和第一反射镜41、第二反射镜43和安装板11配合，形成中空的封闭壳体，有效降低发射光L1的损失。类似地，可以采用第二光学支架H2支撑第二透镜44、第三反射镜45以及安装探测器2的探测器电路板P2，第二光学支架H2和第二透镜44、第三反射镜45和电路板P2配合，形成中空的封闭壳体，有效降低反射光L2的损失。

本发明可以采用一个或多个激光器1和探测器2。图3的实施例示出两个激光器1和两个探测器2。在安装板11上并排设置两个激光器1，二者的发射光L1可以在向前方向上形成锐角。两束发射光L1及其各自的反射光L2经过上述光学结构4传输，两束反射光L2最终分别抵达并排设置在探测器电路板P2上的两个探测器2。由于两个激光器1的发射光L1形成锐角，其各自产扫描而成的激光投射面将具有重叠的部分。通过设置所述锐角和振镜3的水平扫描速率的关系，可以使两个激光器1各自产生的点云在上述重叠部分中交错分布，从而起到加密效果，提高点云密度。需注意，第二反射镜43上的狭缝431的宽度设置为允许两束发射光L1同时通过。虽然图示的实施例示出两个激光器和两个探测器，但是在未示出的实施例中，可以采用三个、四个或其它数量的激光器和探测器，实现更佳的加密效果，这些未示出的实施例均落入本发明的保护范围。

扫描结构

图4示出了激光雷达的扫描结构5，用于将来自激光器1的点状发射光扫描成二维投射面，如图11最佳显示。扫描结构5包括作为扫描镜的振镜3，其在两个方向上同时作转动运动，从而将照射在其上的激光在两个方向上扫描，形成二维投射面。

图5至图7依次示出了根据一个实施例的振镜3的正视图、后视图和侧视图。如图7所示，振镜3包括反射镜M和用于安装反射镜30的弹片S。参见图5，反射镜M可以是玻璃反射镜或其它类型的反射镜，其具有圆形的反射面，其直径d0可以20mm或其它适合的尺寸。相比于MEMS振镜的反射面的直径通常仅有1～2mm，本发明的反射镜的镜面面积更大，有助于通过机加工保证平整度，具有显著增大的激光接收口径，可用于长距离测距。

参见图6和图7，反射镜M以其背面附接至弹片S的正面，例如利用具有一定厚度的胶条粘接至弹片S的中间部分。弹片S具有大致正方形的轮廓，其边长例如32mm。在其他实施例中，弹片S可以具有圆形、长方形等其他形状。弹片S可以采用例如钛合金、不锈钢等金属的板件切割形成，其厚度例如可以为0.8mm。参见图6，弹片S可以包括振动部31、连接部32和框架部33。框架部33包括关于横轴X对称布置的第一半部331和第二半部332，第一半部331和第二半部332之间包围形成用于容纳反射镜M和振动部31的空间。反射镜M以其背面粘接至振动部31的正面。振动部31垂沿着垂直于X轴线的另一轴线X’向两侧延伸，例如可以关于横轴X和纵轴X’对称。

连接部32连接振动部31和框架部33，并支撑振动部31相对于框架部33围绕横轴X往复转动。弹片S包括两个连接部32，其关于纵轴X’对称，并且分别位于振动部31的相反侧。而且，每一个连接部32关于横轴X也是对称的。参见图6，以振动部31左侧的第一连接部32为例(以下描述同样适用于振动部31右侧的第二连接部32)，连接部32具有三个端点：第一端点D1连接至振动部31的左侧边缘的中点处；第二端点D2连接至第一半部331的左侧的端点，第三端点D3连接至第二半部332的左侧的端点。连接部32包括一个主梁321，其从第一端点D1沿横轴X的方向向右延伸至和第一半部331、第二半部332的左侧边对其的中间点D4。主梁321的宽度d1是恒定的，例如为1mm。连接部32还包括两个副梁322和323，第一副梁322从中间点D4延伸至第二端点D2，第二副梁322从中间点D4延伸至第三端点D3。如图6所示，两个副梁322和323关于横轴X对称布置，其中，每一个副梁均具有弯折部Z。弯折部Z延伸到框架件33和振动部31之间，具体延伸到框架件33和反射镜M之间。

参见图6，以主梁321上侧的第一副梁322为例(以下描述同样适用于主梁321下侧的第二副梁323)。弯折部Z包括彼此平行的第一腿部Z1和第二腿部Z2，拐角部Z3连接第一腿部Z1和第二腿部Z2的各自的远端，第一腿部Z1从拐角部Z3的一端连接至中间点D4，第二腿部Z2从拐角部Z3的另一端连接至第二端点D2。第一腿部Z1相对于主梁321的夹角γ可以为45度。在其它实施例中，第一腿部Z1相对于主梁321的夹角γ限定锐角，其可以大于或小于45°。另外，拐角部Z3可以平行于横轴X，并延伸长度L2。由此，第一腿部Z1的长度L1大于第二腿部Z2的长度。如上所述，第一副梁322从中间点D4依次经第一腿部Z1、拐角部Z3、第二腿部Z2曲折地延伸至第一半部331处的第二端点D2。另外，虽然图6所示的弹片S的示例中的弯折部Z具有两个平行的腿部，但是，在该示例的教导下，本领域技术人员可想到，弯折部Z可以包括其他数量的偶数个平行的腿部，例如4个、6个，这些不同实施例均落入本发明的保护范围。第一副梁322的宽度d2是恒定的，例如为1mm。第一副梁322的宽度d2可以大于、等于或小于主梁的第一宽度d1。另外，如图所示，第一半部331的内侧轮廓和第一副梁322的结构相匹配，二者隔开一定距离，从而不会彼此干涉。

如上所述，相比于副梁从中间点D4垂直于横轴X直接延伸至第二端点D2的情况，本发明的副梁322在中间点D4和第二端点D2之间的距离显著延长，例如是中间点D4和第二端点D2之间的直线距离的3～10倍，优选为5倍。由此，在同一驱动力矩施加于振动部31时，作用力在更长的连接部32上分散，显著降低了连接部32上的应力集中，提高了整个振镜3的使用寿命。另外，通过调节弯折部Z的第一腿部Z1的长度L1、拐角部Z3的长度L2、第一腿部Z1和横轴X的夹角γ等参数，可以在弹片S整体尺寸不变的情况下，调整反射镜M围绕横轴X转动振动的共振频率，例如600Hz，以及适合的振动角度范围，例如5～30°，优选为10°。

在一方面，振镜3的振动部31可以在第一驱动器6的驱动下围绕振动轴X(如图4所示)振动，由此可以在竖直方向上在一定角度范围内扫描发射光，扫描角度例如在10～60°范围内，优选为20°。第一驱动器6可以是电磁铁61，同时在振动部31的背部(反射表面的相反侧)上设置磁体62。当在电磁体61通入交变的电流时，其产生方向交变的磁场，磁体62将受到交变的吸引力或排除力，从而驱动振动部31及其上粘接的反射镜S一同围绕振动轴X振动。通过设置电磁体61中的电流的幅度和频率，可以实现振动部31恰好在其共振频率(例如600Hz)下振动，从而以较小的能耗实现振动

图7示出了振镜3的侧视图，胶条34可以连接反射镜M的下表面和弹片S的上表面，具体是振动部31的上表面，使得反射镜M和振动部31固定并同步围绕横轴X转动。如图所示，胶条34具有一定厚度，使得反射镜M的下表面可以和弹片S的上表面间隔开一定距离。由此，当反射镜M相对于横轴X、即围绕主梁321转动时，反射镜M的下表面不会碰触主梁321的边缘。

图8示出了根据本发明的振镜的弹片S的另一示例。该示例和上文参考图6所述的弹片S的结构基本一致，下面仅描述其区别。图8所示的弹片S关于轴线X和X’对称。在左上区域中，第一副梁322连接主梁321和第一半部331，具体连接中间点D4和第一半部331的端点D2。端点D2并未和中间点D4沿纵轴X’方向共线，而是更靠近纵轴X’。第一副梁322包括三段式弯折部Z，其包括彼此平行的第一腿部Z1、第二腿部Z2和第三腿部Z5，第一拐角部Z3连接第一腿部Z1和第二腿部Z2，第二拐角部Z4连接第二腿部Z3和第三腿部Z5。第一腿部Z1位于第二腿部Z2的外侧，第二腿部Z2位于第三腿部Z5的外侧。第一腿部Z1和第二腿部Z2之间的间距等于第二腿部Z2和第三腿部Z5之间的间距。第一腿部Z1和主梁321所夹的锐角可以大于45°，例如为60°。根据这一示例，连接中间点D4和第一半部331的端点D2之间的副梁322的延伸长度大致为连接中间点D4和第一半部331的端点D2之间的直线距离的三倍，从而延长了连接部的长度。在该示例的教导下，本领域技术人员可想到，弯折部Z可以包括其他数量的奇数个平行的腿部，例如1个、5个、7个，这些不同实施例均落入本发明的保护范围。

图9示出了振镜3的后侧透视图。两个圆柱形的磁体62对称地设置在振动部31的背部，磁体62的质量、距离振动部31的圆心的距离均可以调节，以便实现振动部31的共振。两个电磁铁61相对设置，用于产生对称的磁场。为了引起稳定的振动，两个磁体62在同一时刻经受方向相反、大小相同的磁力。为此，可以设置两个磁体62的磁性相反，两个电磁铁61的磁性相同；或者，可以设置两个磁体62的磁性相同，两个电磁铁61的磁性相反。

另一方面，振镜3可以在第二驱动器8的驱动下整体围绕转动轴Y(如图4所示)转动，由此可以在水平方向上在一定角度范围内扫描发射光，扫描角度例如在为20～180°的角度范围内、更优选为40～90°，更优选为48°。第二驱动器8可以是步进电机81，通过控制驱动电流，可以精确地调控步进电机81的转速和转向。步进电机81被控制输出在一定角度范围内的往复转动。如图4所示，作为第一驱动器6的电磁体61、振镜3安装在振镜支架H3上。步进电机81的输出轴联接至振镜支架H3的上端，从而驱动振镜支架H3及其上的振镜3等部件一起转动。作为结果，振镜3的振动部31也围绕转动轴Y往复转动。

因此，振镜3的振动部31在围绕振动轴X振动的同时，围绕转动轴Y转动，振动轴X和转动轴Y在振动部31的圆心处垂直相交，如图4所示。在使用中，可以设置振动轴X沿平行于地面的水平方向延伸，故，振镜3的振动运动在竖直方向上扫描激光；同时，可以设置转动轴Y沿垂直于地面的竖直方向延伸，故，振镜3的转动运动在水平方向上扫描激光，由此，获得二维的扫描光。

如上文所述，为获得三维点云数据，需要实时地测量振镜3相对于振动中性位置的偏转角度α和相对于转动中性位置的偏转角度β。图10示出了用于测量角度α的第一测量模块7和用于测量角度β的第二测量模块9，其中省去了其它部件。图10中的振镜3处于角度α为零且角度β为零的未振动和转动的中性位置。

第一测量模块7包括光源71和线性探测器73，二者可设置在第一测量电路板P3上，第一测量电路板P3和主电路板P0电连接。光源71向前发出光束，光束经由45度角设置的转向镜72转向，继而向下传播至振动部31的背面。如图9所示，振动部31的背面设置有直线形的反射沟槽63，其暴露处反射镜M的背面。并且，两个电磁铁61分开设置，允许光束抵达反射沟槽63。由此，反射沟槽63可以反射光束，使其传播至线性探测器73的接收区域。线性探测器73可以为具有长条形接收区域的光电二极管阵列。在这一配置中，当振镜3发生振动时，反射沟槽63和光束之间的夹角将随着振镜3的振动位置的变化而变化，相应地，反射沟槽63的反射光束落在线性探测器73上的光斑将上下移动。线性探测器73可以检测光斑的位置变化，继而推算出振镜3的角度α的变化。需注意，第一测量电路板P3固定至振镜支架H3(图10未示出)的后侧，光源71和转向镜72均安装于振镜支架H3的内腔中，故，第一测量模块7的各部件将随振镜支架H3与振镜3一同围绕转动轴Y转动。因此，在振镜3的转动运动期间，第一测量模块7的各部件相对静止，故振镜3的转动运动不会干扰对于角度α的测量。

第二测量模块9包括码盘91和编码器92。码盘91固定在振镜支架H3(图10未示出，参见图2)的上表面，码盘91上设置有沿圆周方向均匀分布的多个码道。编码器92则相对于步进电机81固定设置，其由第二测量电路板P4承载，第二测量电路板P4可以和主电路板P0电连接。如图10所示，编码器92和码盘91相对设置，其可以探测正对的码道的存在，继而推算出码盘91的转动角度。由于码盘91和振镜支架H3上的振镜3同步转动，编码器92可以探测出振镜3围绕转动轴Y的转动角度β。特别地，如图10所示，码盘91为部分圆环形，其延伸角度和步进电机81的转动角度范围对应。另外，码盘91和第二测量电路板P4设置有允许步进电机81的输出轴穿过的通孔。

如上所述，在本发明的扫描结构5中，振镜3为一维机械式振镜，振镜3在电磁铁61的驱动下振动，同时在步进电机81的驱动下转动。由此，仅利用单个的激光器3即可实现在二维平面上的扫描，相比于现有技术中的多线雷达，激光器数量更少，可以实现显著更低的成本和功耗。另外，相比于现有技术中的MEMS振镜，本发明的机械式振镜制造简单、成本低廉，并具有显著更大的光学接收面积，可以简化光学结构并提高信号强度。再者，相比于现有技术中的二维振镜，本发明的振镜的转动轴Y并未设置在振镜平面内，而是沿竖直方向V设置，在该情况下，激光雷达的水平方向扫描更接近于多线雷达的水平方向扫描，所获得的点云在水平方向上均为分布，不存在畸变，更易于分析处理点云，可以显著改善激光雷达的探测精度。

安装结构

重新参考图2的整体透视图，激光雷达包括一些列安装结构来安装各种功能部件。如图所示，主支架H0沿竖直方向延伸，其为倒U形框架架构。主电路板P0从后方由螺栓固定至主支架H0。第一支架H1从下方由螺栓固定至主支架H0，并向前方延伸，用于支撑激光器安装板P1、第一反射镜41、第一透镜42和第二反射镜43，如上文所述。第二支架H2由螺栓固定在第一支架H1的上方，用于支撑探测器安装板P1、第二透镜44和第三反射镜45，如上文所述。第二支架H2位于主支架H0的中间空间内，并由螺栓固定至主支架H0。由此，主支架H0、第一支架H1和第二支架H2形成三角形稳固连接。另外，安装板H4从上方由螺栓固定至主支架H0，其垂直于主支架H0向前延伸，并且，步进电机81安装至安装板H4的上侧。步进电机的输出轴穿过安装板H4。另外，第二测量电路板P4可以安装至安装板H4的下侧。如图2所示，主支架H0、第一支架H1、第二支架H2和安装板H4可以围成空间，振镜支架H3设置在所述空间中，并在上端连接至步进电机81的输出轴。振镜支架H3被构造为支撑振镜3、电磁体61、第一测量模块7的光源71、转向镜72和线性探测器73、第二测量模块8的码盘81等多个部件，这些部件作为整体在步进电机81的驱动下转动。如上所述的安装结构的布置可以兼顾结构稳定性和体积紧凑性的要求。

图11示出了激光雷达的外观，其具有壳体W，用于容纳图2所示的激光雷达内部结构，其可以从壳体W的后方放入壳体W的腔室内。壳体W包括可拆开的上壳体W1和下壳体W2，其上均可设置散热翅片，用以为激光雷达散热。另外，下壳体W2的正面设置有允许激光无损耗通过的视窗O。壳体W可以保护激光雷达免受外部环境的影响，并提供紧凑和美观的外形。

应用示例

本发明的激光雷达可以用于多种需要获知周围环境情况的场合中，包括但不限于无人驾驶车辆、无人机、卫星等领域。如图11所示，可以将激光雷达固定至基体设备B(例如车辆、飞机等)上，激光雷达可以向前投射出二维的激光投射面。如上所述，该激光投射面由来自单个激光器的激光在水平和竖直方向的扫描运动而产生。在本发明的实施例中，激光雷达在水平方向的扫描频率可以为5Hz，在竖直方向的扫描频率可以为600Hz，激光器的发射频率可以为125KHz。另外，激光雷达的水平扫描角度(视场)可以为±24°，角度分辨率可以为0.2°；竖直扫描角度可以为±10°，角度分辨率可以为0.2°。以基体设备B为道路车辆为例，当所示的二维的激光投射面接触到行人、前方车辆、交通标志、建筑物等对象时，激光雷达可以产生与该对象相关的点云数据，利用集成在道路车辆中的处理器处理该点云数据，可以识别出该对象的类型、形貌、位置、运动的信息，并进一步据此产生控制信号，控制车辆作出对应的启停、转向、变速等操作，和/或为乘客或远程服务器发出信号。由此，可以利用该激光雷达实现辅助驾驶或自主驾驶。

虽然已经公开了各种示例和实施例，但是其他示例和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。各种公开的示例和实施例是为了说明的目的，而不是限制性的，其真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims

1.一种扫描镜，其特征在于，包括：

反射镜，其反射光束；以及

弹片，包括：

框架部；以及

振动部，其经由连接部弹性连接至框架部，并且附接至反射镜；

其中，振动部带动反射镜围绕横轴相对于框架部往复转动，从而在垂直于所述横轴的方向上扫描光束。

2.根据权利要求1所述的扫描镜，其特征在于，

框架部包括对称地分布在横轴两侧的第一半部和第二半部，振动部和反射镜位于第一半部和第二半部之间；

连接部包括对称地分布在纵轴两侧的第一连接部和第二连接部，纵轴和横轴垂直相交，振动部和反射镜位于第一连接部和第二连接部之间。

3.根据权利要求2所述的扫描镜，其特征在于，第一连接部包括：

主梁，其沿着横轴从振动部延伸至中间点；

第一副梁，其从中间点延伸至第一半部的端点；

第二副梁，其从中间点延伸至第二半部的端点，第一副梁和第二副梁关于横轴对称。

4.根据权利要求3所述的扫描镜，其特征在于，

第一副梁从中间点依次经第一腿部、拐角部和第二腿部延伸至第一半部的所述端点，其中，第一腿部和第二腿部彼此平行且相对，并且和主梁之间形成锐角。

5.根据权利要求3所述的扫描镜，其特征在于，

第一副梁从中间点依次经第一腿部、第一拐角部、第二腿部、第二拐角部和第三腿部延伸至第一半部的所述端点，其中，第一腿部、第二腿部和第三腿部彼此平行且相对，并且和主梁之间形成锐角。

6.根据权利要求4或5所述的扫描镜，其特征在于，第一副梁的长度为中间点延伸至第一半部的所述端点的直线距离的3～10倍。

7.根据权利要求1所述的扫描镜，其特征在于，所述反射镜具有圆形的反射面，该圆形的直径大于10mm。

8.根据权利要求1所述的扫描镜，其特征在于，所述弹片采用金属板片机械加工而成。

9.根据权利要求1所述的扫描镜，其特征在于，

振动部具有沿所述第二轴线延伸的沟槽，所述沟槽暴露反射镜的背面，反射镜的背面接收来自测量光源的光束，并将光束反射至线性探测器，线性探测器基于反射光束的位置测量反射镜围绕横轴的转动角度；并且

两个磁铁关于反射镜的圆心对称地设置在振动部的背部，并且，两个磁铁在电磁铁的作用下驱动振动部和反射镜围绕横轴往复转动。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光器，其发出发射光，发射光在环境中的对象处产生反射光；

探测器，其探测反射光，由此确定所述对象的距离；

扫描镜，其根据权利要求1至9中的任一项所述，将发射光反射至所述对象，其中，扫描镜的反射镜围绕第一轴线转动，使得发射光在第一方向上扫描，并且，扫描镜的整体围绕第二轴线转动，使得发射光在不同于第一方向的第二方向上扫描。