CN109709572B - 一种半共轴光路接收激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达光学设计系统领域，提供一种半共轴光路接收激光雷达系统，包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜、第二一维MEMS振镜及反射光学元件；第一一维MEMS振镜与第二一维MEMS振镜扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜扫描镜面积小于第二一维MEMS振镜扫描镜面积；激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜、第二一维MEMS振镜后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜与反射光学元件反射后返回激光接收模块。解决了回波能量与测量精度之间的矛盾问题，在测试前方的人或物时便可实现更高的分辨率，最大程度保证的测试结果的真实性。

Description

一种半共轴光路接收激光雷达系统

技术领域

本发明属于激光雷达光学设计系统领域，涉及一种提高水平测量精度的半共轴光路接收激光雷达系统。

背景技术

激光雷达通过计算发射激光与回波散射光接收时间差来实现其测距功能。要实现二维和三维的扫描，实现激光雷达测距或三维成像，激光雷达有多种实现方式：

一、传统机械式旋转扫描：通过机械带动激光雷达产生360°旋转，问题是外形尺寸大，时间长会磨损严重。

二、全固态扫描(如光学相控阵)：通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变发射角度，存在问题是核心器件成本太高；

三、MEMS(微机电系统)的混合固态扫描：可做成一维和/或二维振镜扫描面，仅一束激光便可实现整个探测面的扫描，因其体积小成本低成为现在研究的热点。

目前市场上实现二维面的MEMS混合固态激光雷达方案涉及一维MEMS微振镜扫描结合一维放大光学元件来实现，或者相互垂直的两个一维振镜同步驱动实现面扫描，再者直接使用二维振镜实现面扫描。

专利US20180069367A1提出将光源依次通过两个互相垂直的一维振镜形成二维方向面扫描，后散射光经两个振镜原路返回，由反射镜聚焦至探测器。发射光与接收光共轴光路的问题在于两个振镜镜面在发射与接收光路中都有参与，振镜面积直接决定了回收能量的大小，这就要求振镜面积需要较大尺寸，导致振镜测量精度降低。

专利US2018143324A1提出使用二维MEMS微振镜实现激光的面扫描，散射光经另外的MEMS振镜实现光路的接收，非共轴光路发射与接收分离，势必带来系统调制和存在测试盲区等一系列问题。

接收装置的视场角要大于激光发射装置的视场角保证信息的完整接收，为保证能量最大接收需要大面积振镜，较大面振镜由于频率低的限制导致测量精度下降，这是目前微机电方案激光雷达存在的一个矛盾。

发明内容

为了解决回波能量与测量精度之间的矛盾问题，本发明提出一种半共轴光路接收激光雷达系统。

利用点激光经过两个相互垂直的一维MEMS振镜扫描成为二维面，接收散射回波信号时只经过其中一个MEMS振镜后聚焦进入探测器，形成半共轴光路接收的激光雷达光学系统。

本发明的技术解决方案是提供一种半共轴光路接收激光雷达系统，包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；

其特殊之处在于：

振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜、第二一维MEMS振镜及反射光学元件；第一一维MEMS振镜与第二一维MEMS振镜扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜可动镜面的面积小于第二一维MEMS振镜可动镜面的面积；

激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜、第二一维MEMS振镜后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜与反射光学元件反射后返回激光接收模块。

进一步地，上述反射光学元件为半透半反镜或偏振分光棱镜；上述半透半反镜或偏振分光棱镜位于第一一维MEMS振镜与第二一维MEMS振镜之间，对第一一维MEMS振镜反射的脉冲激光透射，对第二一维MEMS振镜反射的散射回波信号反射。

进一步地，上述反射光学元件还可以为全反反射镜，上述全反反射镜位于第二一维MEMS振镜的散射回波信号反射光路中。

进一步地，上述反射光学元件还可以为中间开孔的全反反射镜，中间开孔的全反反射镜位于第一一维MEMS振镜与第二一维MEMS振镜之间；开孔大小能够保证第一一维MEMS振镜反射的脉冲激光通过。

进一步地，激光发射模块包括依次设置的脉冲激光器及准直透镜。

进一步地，激光接收模块包括沿光路依次设置的接收透镜及光电探测器，接收镜头为聚焦透镜；

进一步地，若有接收MEMS大视场扫描的散射回波信号的需求可采用广角透镜，后由探测器接收进行信号处理，上述广角透镜为柱面镜、浸没透镜或复合抛物面聚光镜等大视场接收透镜。

进一步地，上述光电探测器为雪崩光电二极管(Avalanche PhotonDiode，简称APD)、单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD)、硅光电倍增管(MPPC)或PIN光电二极管。

进一步地，上述第一一维MEMS振镜与第二一维MEMS振镜均为单轴振镜，为了简化光路结构，便于调节，第一一维MEMS振镜在初始位置与脉冲激光方向呈45°，第二一维MEMS振镜的初始位置和反射镜与第一一维MEMS振镜初始方向平行放置。每个振镜在驱动器的作用下控制一个方向的光束扫描，出射光路便可实现面阵的二维扫描。

进一步地，为了较多的接收散射回波能量，第一一维MEMS振镜初始位置与脉冲激光方向可成其它角度放置，如60-90度夹角，相应的包括第二一维MEMS振镜的初始位置和反射镜的初始位置，均可根据激光发射与接收进行相应调整。

进一步地，上述第一一维MEMS振镜实现垂直方向扫描，第二一维MEMS振镜实现水平方向扫描；也可以是上述第一一维MEMS振镜实现水平方向扫描，第二一维MEMS振镜实现垂直方向扫描。

本发明的有益效果是：

实现共轴光路的二维扫描，为获得更多的回波能量需增大MEMS微振镜的面积，面积太小会导致接收能量太弱数据无法测得。这在一定程度上就限制了微振镜的扫描频率，从而无法将测量精度做到很大。

本发明提出的半共轴光路激光雷达测距系统，决定激光接收能量的只有第二一维MEMS振镜的扫描面积，所以第一一维MEMS振镜扫描面积只需要大于接收光斑半径即可。经激光光束准直在近距离内光斑较小，因此第一一维MEMS振镜面积可以做到很小。减小面积意味着可以实现更快频率的振动，实现更大的测量精度。在测试前方的人或物时便可实现更高的分辨率，最大程度保证的测试结果的真实性。

附图说明

图1为本发明实施例一半共轴光路光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直透镜；3-第一一维MEMS振镜；4-半透半反镜；5-第二一维MEMS振镜；6-接收透镜；7-光电探测器。

图2为本发明实施例二半共轴光路光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直透镜；3-第一一维MEMS振镜；4-全反反射镜；5-第二一维MEMS振镜；6-接收透镜；7-光电探测器。

图3为本发明实施例三半共轴光路光学系统原理图；

图中附图标记为：1-脉冲激光器；2-准直透镜；3-第一一维MEMS振镜；4-中心开孔的全反反射镜；5-第二一维MEMS振镜；6-接收透镜；7-光电探测器。

具体实施方式

本发明将发射激光与接收激光同轴分离，接收散射回波信号时只经过其中一个MEMS振镜后聚焦进入探测器，形成半共轴光路接收的激光雷达光学系统。主要包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜3、第二一维MEMS振镜5及反射光学元件；第一一维MEMS振镜3与第二一维MEMS振镜5扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜3扫描镜面积小于第二一维MEMS振镜5扫描镜面积；激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜3、第二一维MEMS振镜5后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜5与反射光学元件反射后返回激光接收模块。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

在以下实施例中定义：X轴方向为垂直方向，Y方向为水平方向。图中实线为激光发射光线，虚线为接收散射回波光线。

实施例一

从图1可以看出，本实施例半共轴光路接收雷达振镜扫描系统，包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直透镜2、第一一维MEMS振镜3及半透半反镜4，可以用偏振分光棱镜替换半透半反镜4，还包括设置在半透半反镜4透射光路中的第二一维MEMS振镜5及依次设置在半透半反镜4反射光路中的接收透镜6及光电探测器7。本实施例中接收透镜6为聚焦透镜，在其他实施例中为了实现大视场扫描需求，接收透镜6可采用广角透镜，后由探测器接收进行信号处理，上述广角透镜为柱面镜、浸没透镜或复合抛物面聚光镜等大视场接收透镜。

准直镜2主要作用实现对激光的光斑整形，将脉冲激光实现最大程度的能量集中，提高发射光能量和更远测试能力。第一一维MEMS振镜3在初始位置与光束方向呈45度°夹角，第二一维MEMS振镜5的初始位置和半透半反镜4与第一一维MEMS振镜3初始方向平行放置。其他实施例中，为了较多的接收散射回波能量，第一一维MEMS振镜初始位置与脉冲激光方向可成其它角度放置，如60-90度夹角。

脉冲激光器1发出的脉冲激光经准直透镜2以很小的光斑打到第一一维MEMS振镜3上，光斑经第一一维MEMS振镜3后在驱动器的控制下绕Y轴扭转，实现垂直方向的线扫描。再经过半透半反镜4透射后到达第二一维MEMS振镜5。第二一维MEMS振镜5接收到来自第一一维MEMS振镜3的扫描光后在驱动器的控制下绕X轴扭转，经第二一维MEMS振镜5扫描后发射光由点光斑变为二维面扫描从设备发射。散射回波信号经第二一维MEMS振镜5反射后进入设备光路中。半透半反镜4的反射面将接受到的光经接收透镜6聚焦到光电探测器7(如APD、SPAD、MPPC或PIN)。

第一一维MEMS振镜3在驱动器的控制下进行垂直方向扭转，其中心轴绕Y轴扭转。由于该振镜不参与接收光路系统，其面积只需要大于光斑面积即可。该振镜的单次扫描角度决定了水平测量的分辨率。由于面积很小，其转动频率可以做到很大，无法实现很大的测量精度，根据反射定律，若微振镜的扭转角度为±θ°，那么微振镜扫描镜面所反射的线光斑可以在±2θ°的范围内扫描成二维激光光斑。第二一维MEMS振镜5在驱动器的控制下进行水平方向旋扭转，其中心轴绕X轴扭转，由于该振镜参与接收光路系统，其面积决定了接收能量的大小，所以在面积上需要尽量做到较大。

实施例二

从图2可以看出，本实施例半共轴光路接收雷达振镜扫描系统，包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直透镜2、第一一维MEMS振镜3及第二一维MEMS振镜5；还包括全反反射镜4及依次位于全反反射镜4反射光路中的接收透镜6及光电探测器7。准直镜2主要作用实现对激光的光斑整形，将脉冲激光实现最大程度的能量集中，提高发射光能量和更远测试能力。第一一维MEMS振镜3在初始位置与光束方向呈45度°夹角，第二一维MEMS振镜5的初始位置和全反反射镜4与第一一维MEMS振镜3初始方向平行放置。

脉冲激光器1发出的脉冲激光经准直透镜2以很小的光斑打到第一一维MEMS振镜3上，第一一维MEMS振镜3在驱动器的控制下进行垂直方向的扭转，其中心轴绕Y轴扭转。由于该振镜不参与接收光路系统，其面积只需要大于光斑面积即可。第二一维MEMS振镜5接收到来自第一一维MEMS振镜3的扫描光后在驱动器的控制下进行水平方向上的扭转，其中心轴绕X轴扭转。经第二一维MEMS振镜5的扫描后发射光为二维面扫描从设备发射，散射回波能量经第二一维MEMS振镜5反射后进入设备光路中。全反反射镜4接收到来自第二一维MEMS振镜5的回波能量后反射至接收透镜6聚焦至光电探测器7(如APD)。

因第一一维MEMS振镜3在第二一维MEMS振镜5反射散射回波信号的光路中，在全反反射镜4接收来自第二一维MEMS振镜5的回波能量时有部分遮挡，但因第一一维MEMS振镜3体积较小，只有准直后的光斑大小，所以其遮挡能量可以忽略不计。

实施例三

从图3可以看出，本实施例半共轴光路接收雷达振镜扫描系统，包括沿光路依次设置的脉冲激光器1、准直透镜2、第一一维MEMS振镜3、中心开孔的全反反射镜4及第二一维MEMS振镜5，还包括依次设置在中心开孔的全反反射镜4反射光路中的接收透镜6及光电探测器7。准直镜2主要作用实现对激光的光斑整形，将脉冲激光实现最大程度的能量集中，提高发射光能量和更远测试能力。第一一维MEMS振镜3在初始位置与光束方向呈45度°夹角，第二一维MEMS振镜5的初始位置和半透半反镜4与第一一维MEMS振镜3初始方向平行放置。

脉冲激光器1发出的脉冲激光经准直透镜2以很小的光斑打到第一一维MEMS振镜3上，第一一维MEMS振镜3在驱动器的控制下进行垂直方向的扭转，其中心轴绕Y轴扭转。由于该振镜不参与接收光路系统，其面积只需要大于光斑面积即可。光束经第一一维MEMS振镜3后通过中心开孔的全反反射镜4到达第二一维MEMS振镜5，第二一维MEMS振镜5接收到来自第一一维MEMS振镜3的扫描光后在驱动器的控制下进行水平方向上的扭转，其中心轴绕X轴扭转。经第二一维MEMS振镜5的扫描后发射光为二维面扫描从设备发射，散射回波能量经第二一维MEMS振镜5反射后进入设备光路中。中心开孔的全反反射镜4接收到来自第二一维MEMS振镜5的回波能量后反射至接收透镜6聚焦至光电探测器7(如APD)。

在中心开孔的全反反射镜4接收来自第二一维MEMS振镜5的散射回波信号时由于反射镜中心开孔，散射回波信号有部分损失，但因第一一维MEMS振镜3体积较小，开孔面积只稍大于准直后的光斑大小，所以其损失能量可以忽略不计。

Claims (10)

1.一种半共轴光路接收激光雷达系统，包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；

其特征在于：

振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)及反射光学元件；第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜(3)扫描镜面积小于第二一维MEMS振镜(5)扫描镜面积；第一一维MEMS振镜(3)的转动频率大于第二一维MEMS振镜(5)的转动频率；所述第一一维MEMS振镜(3)实现垂直方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现水平方向扫描；或所述第一一维MEMS振镜(3)实现水平方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现竖直方向扫描；

第一一维MEMS振镜(3)不参与接收光路系统，其面积只需略大于光斑面积，实现更快频率的转动；第二一维MEMS振镜(5)参与接收光路系统，其面积决定了接收能量的大小，所以在面积上需要尽量做到较大，获得更多的回波能量；

激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜(5)与反射光学元件反射后返回激光接收模块；所述反射光学元件为半透半反镜或偏振分光棱镜；所述半透半反镜或偏振分光棱镜位于第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)之间，对第一一维MEMS振镜(3)反射的脉冲激光透射，对第二一维MEMS振镜(5)反射的散射回波信号反射。

2.一种半共轴光路接收激光雷达系统，包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；

其特征在于：

振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)及反射光学元件；第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜(3)扫描镜面积小于第二一维MEMS振镜(5)扫描镜面积；第一一维MEMS振镜(3)的转动频率大于第二一维MEMS振镜(5)的转动频率；所述第一一维MEMS振镜(3)实现垂直方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现水平方向扫描；或所述第一一维MEMS振镜(3)实现水平方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现竖直方向扫描；

第一一维MEMS振镜(3)不参与接收光路系统，其面积只需略大于光斑面积，实现更快频率的振动；第二一维MEMS振镜(5)参与接收光路系统，其面积决定了接收能量的大小，所以在面积上需要尽量做到较大，获得更多的回波能量；

激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜(5)与反射光学元件反射后返回激光接收模块所述反射光学元件为全反反射镜，所述全反反射镜位于第二一维MEMS振镜(5)的散射回波信号反射光路中。

3.一种半共轴光路接收激光雷达系统，包括激光发射模块、振镜扫描模块及激光接收模块；

其特征在于：

振镜扫描模块包括第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)及反射光学元件；第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)扫描方向相互垂直且第一一维MEMS振镜(3)扫描镜面积小于第二一维MEMS振镜(5)扫描镜面积；第一一维MEMS振镜(3)的转动频率大于第二一维MEMS振镜(5)的转动频率；所述第一一维MEMS振镜(3)实现垂直方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现水平方向扫描；或所述第一一维MEMS振镜(3)实现水平方向扫描，第二一维MEMS振镜(5)实现竖直方向扫描；

第一一维MEMS振镜(3)不参与接收光路系统，其面积只需略大于光斑面积，实现更快频率的振动；第二一维MEMS振镜(5)参与接收光路系统，其面积决定了接收能量的大小，所以在面积上需要尽量做到较大，获得更多的回波能量；

激光发射模块发射整形后的脉冲激光经第一一维MEMS振镜(3)、第二一维MEMS振镜(5)后实现二维面阵扫描；散射回波信号依次经第二一维MEMS振镜(5)与反射光学元件反射后返回激光接收模块所述反射光学元件为中间开孔的全反反射镜，中间开孔的全反反射镜位于第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)之间；开孔大小能够保证第一一维MEMS振镜(3)扫描的脉冲激光通过。

4.根据权利要求1至3任一所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：激光发射模块包括依次设置的脉冲激光器(1)及准直透镜(2)。

5.根据权利要求4所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：所述激光接收模块包括沿光路依次设置的接收透镜(6)及光电探测器(7)。

6.根据权利要求5所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：所述接收透镜(6)为聚焦透镜。

7.根据权利要求6所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：所述接收透镜(6)为广角透镜，包括柱面镜、浸没透镜或复合抛物面聚光镜。

8.根据权利要求7所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：所述光电探测器(7)为雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管。

9.根据权利要求4所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：所述第一一维MEMS振镜(3)与第二一维MEMS振镜(5)均为单轴振镜；

第一一维MEMS振镜(3)在初始位置与脉冲激光方向呈45度夹角，第二一维MEMS振镜(5)的初始位置和反射镜与第一一维MEMS振镜(3)初始方向平行放置。

10.根据权利要求4所述的半共轴光路接收激光雷达系统，其特征在于：

第一一维MEMS振镜(3)在初始位置与脉冲激光方向呈60-90度夹角，第二一维MEMS振镜(5)的初始位置和反射光学元件与第一一维MEMS振镜(3)初始方向平行放置。

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