CN110780279A - 扫描镜组件和包括其的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于激光雷达的扫描镜组件，包括：基座；反射镜支撑装置，设置在所述基座上，并可围绕第一轴线往复摆动；反射镜单元，包括反射镜，设置在所述反射镜支撑装置上，所述反射镜可围绕第二轴线枢转，第一轴线与第二轴线非共线。

Description

扫描镜组件和包括其的激光雷达

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种可绕两个轴线独立运动的扫描镜组件以及包括该扫描镜组件的激光雷达。

背景技术

激光雷达系统包括激光发射系统和探测接收系统，发射激光遇到目标后反射并被探测系统所接收，通过测量激光往返的时间可测量相应目标点的距离(如飞行时间法)，当对整个目标区域扫描探测后，则最终可实现三维成像。激光雷达系统在无人驾驶系统中有着重要应用，在该应用中需要激光雷达具有高成像帧频、高分辨率、远测距能力、小体积、高可靠性、低成本，传统激光雷达系统很难满足这些性能。

目前较成熟的用于自动驾驶的激光雷达主要是一种混合固态激光雷达，其垂直方向上通过排布多个激光器和探测器实现垂直视场角分辨，水平方向上则通过电机带动整个发射、接收系统旋转扫描。这两种激光雷达系统虽然可以实现较大的水平视场，但往往无法同时实现较高的垂直分辨率，或系统过于复杂、成本高。

而基于MEMS镜等扫描器的激光雷达系统，其扫描视场受限于扫描器自身的扫描角大小，若要实现更大的视场则需要通过视场拼接实现。

前述混合固态激光雷达专为无人驾驶应用开发，因此，能满足主要性能要求，但是该系统中采用了多个激光器和APD探测器成对发射、接收，以满足垂直方向上的分辨，整个系统光机结构复杂，体积较大，装调要求高，成本高，可靠性低，很难满足大规模量产的应用。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种可用于激光雷达的扫描镜组件，包括：

基座；

反射镜支撑装置，设置在所述基座上，并可围绕第一轴线来回摆动；

反射镜单元，包括反射镜，设置在所述反射镜支撑装置上，所述反射镜可围绕第二轴线枢转，第一轴线与第二轴线非共线。

根据本发明的一个方面，所述第一轴线垂直于所述第二轴线。

根据本发明的一个方面，所述反射镜支撑装置来回摆动的频率低于所述反射镜单元枢转的频率。

根据本发明的一个方面，所述反射镜单元按照其谐振频率以正弦方式围绕所述第二轴线枢转，所述反射镜支撑装置来回摆动的频率不同于所述反射镜单元的谐振频率。

根据本发明的一个方面，所述反射镜单元为一维振镜。

根据本发明的一个方面，所述的扫描镜组件还包括驱动单元，所述驱动单元与所述反射镜支撑装置连接并驱动所述反射镜支撑装置围绕第一轴线来回摆动，所述驱动单元包括音圈电机或步进电机。

根据本发明的一个方面，所述反射镜支撑装置配置成可围绕所述第一轴线以匀加速、匀速、匀减速的方式摆动。

根据本发明的一个方面，所述反射镜支撑装置配置成在其摆动范围内沿两个方向以同样的方式摆动，

或者，所述反射镜支撑装置配置成在其摆动范围内沿两个方向以不同的方式摆动。

根据本发明的一个方面，所述反射镜支撑装置的摆动范围包括有效扫描角度范围和位于所述有效扫描角度范围两侧的冗余角度范围。

根据本发明的一个方面，反射镜单元包括金属反射部和连接在所述金属反射部两端的圆形金属杆，所述圆形金属杆构成所述第二轴线。

本发明还提供一种激光雷达，包括：

激光器，配置成可发射探测激光束；

如上所述的扫描镜组件，所述扫描镜组件设置在所述激光器的光路下游，以接收所述探测激光束，并通过所述扫描镜组件的反射镜单元的摆动，将所述探测激光束扫描反射出所述激光雷达。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的一种扫描镜组件；

图2中示出了根据本发明一个实施例的扫描镜组件的运动示意图；

图3A和图3B示出了两种结构的音圈式电机；

图4示出了动磁铁型的摆动电机；

图5示出了根据本发明一个实施例的扫描镜组件的运动曲线；

图6示出了根据本发明另一个实施例的扫描镜组件的运动曲线；和

图7示出了根据本发明一个实施例的反射镜单元；

图8示出了根据本发明另一个实施例的反射镜单元。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种扫描镜组件1，其可用于激光雷达的发射端和接收端。下面参考附图详细描述。

如图1所示，扫描镜组件1包括基座11、反射镜支撑装置12以及反射镜单元13。其中，基座11例如为固定部。反射镜支撑装置12例如为支撑杆，其一端部(图中为底端)支撑在基座11中，并可在其中绕着轴线121(第一轴线)往复转动或者摆动，如图1中轴线121旁边的箭头所示的。反射镜单元13安装设置在反射镜支撑装置12的另一端部(图1中为上端部)，其上设置有反射镜，用于将入射到其上的光束反射出去。反射镜单元13例如可枢转地设置在反射镜支撑装置12上，如图1所示，反射镜单元13可围绕枢转轴131(第二轴线)来回摆动。通过图1所示的结构，反射镜单元13在围绕枢转轴131来回摆动的同时，可以随着反射镜支撑装置12一起围绕轴线121转动或者摆动。如图1中所示的，第一轴线与第二轴线非共线或非平行的，从而提供沿着两个方向的摆动自由度。

根据本发明上述实施例的扫描镜组件1，耦合了单一镜面围绕两个轴线的转动，实现了一种一体的二维扫描系统。

根据本发明的一个优选实施例，所述反射镜支撑装置12围绕轴线121的转动或摆动为低频扫描运动，其频率例如为几赫兹到几百赫兹。另外，可以设定反射镜支撑装置12围绕轴线121的摆动角度范围，例如为几度到一百五十度左右。并且，低频扫描运动的频率一般不为谐振频率。

根据本发明的一个优选实施例，所述反射镜单元13围绕枢转轴131的来回摆动为高频摆动，例如一维谐振式的摆动，频率例如几百到几十千赫兹，可以高于低频扫描运动的频率，所覆盖的扫描光学角度例如几度到几十度。并且优选的，所述高频摆动的频率可以为谐振频率。图2中示出了运动示意图。

图1和图2中示出了所述高频摆动的枢转轴131沿着水平方向，低频转动或摆动的轴线121沿着竖直方向，二者相互垂直。本领域技术人员容易理解，图1中所示的两个转轴的方向和角度仅是示意性的，二者也可以是非垂直的关系，这些都在本发明的保护范围内。

为了实现所述反射镜单元13围绕枢转轴131的高频摆动，可以采用一维振镜来作为所述反射镜单元13。振镜的结构和工作原理对于本领域技术人员是熟知的，此处不再赘述。

为了实现所述反射镜支撑装置12围绕轴线121的低频扫描运动，扫描镜组件1可包括驱动单元14，驱动单元14与所述反射镜支撑装置12连接并驱动所述反射镜支撑装置12围绕轴线121来回摆动。图1示出了驱动单元14的一个优选实施例。下面详细说明。

如图1所示，驱动装置14包括第一磁铁141、第二磁铁143以及驱动线圈142。所述反射镜支撑装置12上具有一个横向延伸出来的扭转杆122，在扭转杆122的端部处固定有驱动线圈142。第一磁铁141和第二磁铁143分别置于所述驱动线圈142的上方和下方。第一磁铁141和第二磁铁143磁性不同，分别为S和N级，从而在二者之间产生磁场。当驱动线圈142中通交流电时，根据通电方向的不同，会受到不同方向的磁场力，从而使得所述驱动线圈142受到垂直于纸面方向的力，进而通过所述扭转杆122推动所述反射镜支撑装置12围绕轴线121来回转动。扭转杆的长度决定了扭转力矩的大小，因此电机可以提供较大的摆动行程，主要在于扭转杆对力矩的放大效果。

低频摆动的驱动装置14可以采用各种独立的电机模组来实现，例如音圈电机、步进电机、类似伺服电机的摆动机构等等。

图3A和图3B示出了两种结构的音圈式电机，其中图3A为单侧磁铁布局的方式，图3B为双侧磁铁布局的方式。图3B所示的布置方式与图1所示的类似，此处不再赘述。图3A中，不同极性的两个磁铁被布置在驱动线圈的一侧上(图中为下侧)。同样的，当驱动线圈中通电时，其在两个磁铁的磁场中会受到洛伦茨力，因此可通过扭转杆，驱动所述反射镜支撑装置12围绕轴线121来回转动。

在双侧磁铁布局下，驱动线圈中间可以加软磁导轨，磁场分布的均匀性相对也更好，因此更适用于大角度摆动。

在摆动式音圈电机中，主要的驱动力来源于通电线圈在磁场中受到的洛伦茨力，扭转杆的长度决定了扭转力矩的大小，因此音圈电机可以提供较大的摆动行程，主要在于扭转杆对力矩的放大效果。

或者可选的，所述驱动装置14可以包括动磁铁型的摆动电机。下面参考图4详细描述。

如图4所示，反射镜支撑装置12为支撑杆，其通过轴承安装在基座(未示出)上。在反射镜支撑装置12上设置有永磁铁，构成转子。例如反射镜支撑装置12本身即为一根侧向充磁的柱形磁铁，也可以是在碳钢转轴表面覆盖几片圆弧形磁铁形成。同时在永磁铁的外周布置有线圈，作为定子。因此定子为线圈，转子为磁铁，因此在旋转部件上不需要走线供电。

图中所示的是一个简单的动磁铁摆动机构的示意图，磁铁为转子，线圈为定子，在线圈中通一个相应的交流信号，可以产生某个方向的磁场，如图所示的斥力即可使转子转动，当转子转到一定角度以后改变AC信号，即可产生一个相反的作用力，从而实现摆动，在动磁铁型扫描中驱动力主要是磁场相互作用力。该扫描镜工作原理和大部分的伺服电机或者步进电机是一样的，为了增加分辨率或者提高驱动的线性度从而实现大角度摆动，可以以N/S交错的形式增加几组磁铁和线圈。

根据本发明的一个优选实施例，反射镜单元13按照其谐振频率以正弦方式围绕所述第二轴线131枢转，所述反射镜支撑装置12来回摆动的频率不同于所述反射镜单元的谐振频率。

根据本发明的一个优选实施例，所述反射镜支撑装置12配置成可围绕所述第一轴线121以匀加速、匀速、匀减速的方式摆动。如图5所示，简单说明如下。在0时刻，反射镜支撑装置12处于其摆动范围的零点位置(初始位置)处。在0-t1时刻，其以匀加速的方式运动，其中匀加速段所经过的角度值为β，在t1时刻，速度达到v_m。在时刻t1-t2，反射镜支撑装置12维持匀速运动。在时刻t2-t3，反射镜支撑装置12以匀减速的方式运动，角度值为β，在t3时刻，反射镜支撑装置12到达其摆动范围的边界点。另外可选的，反射镜支撑装置12在该边界点处停留一段时间(时刻t3-t4)，然后反向重复上述的运动，即通过匀加速、匀速、匀减速的方式回到其摆动范围的零点位置。在激光雷达测量过程中可以选择其中匀速运动的时间段，即时刻t1-t2，作为有效的测量时间段，所对应的角度为有效扫描角度范围，如图中的FOV-2β，而在有效扫描角度范围两侧的角度，称为冗余角度范围，如图中的角度β。例如在光栅扫描的边缘，由于一些机械上的缺陷，可能摆动不是匀速，此时可以通过控制扩大一维谐振镜的摆角加以克服，比如需要的是20°的摆幅，实际控制谐振镜摆动24°，然后将左右侧的2°的冗余部分去掉。

图5中采取了采取双向匀加速、匀速、匀减速扫描的方式。可替换的，也可以采用单向的扫描方式，即仅在反射镜支撑装置12一个方向运动过程中，激光雷达进行扫描；而在沿着另一个方向复位的过程中，激光雷达不进行扫描。如图6所示，其中在0时刻到t4时刻，反射镜支撑装置12的运动与图5所示的相同。但是在t4-t5时刻，反射镜支撑装置12没有按照相同的匀加速、匀速、匀减速的方式回到其初始位置，而是以较高的加速度和减速度，按照匀加速、匀减速的方式快速返回到其初始位置，并且在返回的过程中，激光雷达不进行扫描。在时刻t5，其回到初始位置，并且从时刻t5开始重复0时刻到t4时刻的运动方式，并且激光雷达进行扫描。

因此，在上述实施例中，反射镜支撑装置12既可以在其摆动范围内沿两个方向以同样的方式摆动，如图5所示，也可以在其摆动范围内沿两个方向以不同的方式摆动，如图6所示。

另外，根据本发明的一个优选实施例，所述扫描镜组件1还包括光电码盘15和光电读码芯片16。其中，光电码盘例如固定在所述扭转杆122的下方，从而随着所述反射镜支撑装置12一起旋转，所述光电读码芯片16设置在所述光电码盘15的下方，用于采集并测量所述反射镜支撑装置的旋转角度或当前位置。

图7示出了本发明一实施例中的反射镜单元13的结构示意图。如图7所示，反射镜单元13外形为长方体，具体可以包括反射面、转轴、支架结构、线圈以及线圈的接口，支架结构、转轴以及反射面为一体化结构，材质可以为铍铜，反射镜贴附于反射面之上，反射面的背面设置有磁铁(未示出)。关于驱动方式上，可以采用电磁式驱动(结构上放磁铁，静子是线圈)，也可以是磁电式驱动的(结构上放线圈，静子是磁铁)。

另外，转轴垂直于主轴或者竖直方向，激光雷达的控制部件可以通过接口输入驱动信号或者交变电流信号至线圈，线圈与磁铁相互作用产生驱动力驱动反射面，反射面能够在转轴带动下绕转轴往复摆动，进而带动反射镜往复摆动。可以理解，反射镜单元13可以自身包括反射面，也可以是在反射面上贴附反射镜，以实现对光束的反射。

图8示出了本发明另一实施例中的反射镜单元13的结构示意图。如图8所示，反射镜单元13包括基座、反射镜132以及杆133。其中，反射镜132通过套筒在两端连接到杆133，杆133由基座支撑，构成了反射镜单元13的第二轴线。

与图7中的反射镜是被惯性驱动的不同，图8中的反射镜是被直接驱动，具体如图8所示，在反射镜132的下表面贴附有磁铁，下方设置有线圈，在圆形杆133的两侧对称布置，从而通过对线圈进行通电产生磁吸力，控制所述反射镜132围绕所述圆形杆133枢转。

具体到反射镜单元的结构，与图7中利用整片结构不同的是，图8中的反射镜可以采用金属棒材整体加工出形状，然后和金属反射镜焊接，或者也可以是金属棒材加上机械套筒和玻璃反射镜连接而成。

本发明的实施例中，反射镜132可以直接由金属加工而成，其上具有金属镜面，另外，圆形杆133也可以是金属的，横截面例如为圆形，可与反射镜132直接焊接在一起。通过这种方式，中间的金属反射面直接连接到金属棒，不需要支撑框架，因此可以显著降低其转动惯量。

还需要说明的是，关于反射镜单元13的摆动角度的测量，具体可以采用测角光源与分立的PD结合的方式来实现，也可以采用测角光源与一维PSD结合的方式来实现。此处的测角光源可以是LED或激光器，具体的类型并不做过多限制。另外可以说明的是，虽然本申请中的反射镜支撑装置和反射镜单元都可以有相互独立的测角机构，但是可选的是，反射镜支撑装置和反射镜单元也可以采用类似二维振镜的二维PSD测角方案。本发明还涉及一种激光雷达，包括：激光器和如上所述的扫描镜组件。其中激光器配置成可发射探测激光束，所述扫描镜组件设置在所述激光器的光路下游，以接收所述探测激光束，并通过所述扫描镜组件的反射镜单元的摆动，将所述探测激光束扫描反射出所述激光雷达。

探测激光束被发射到激光雷达外部之后，遇到障碍物产生漫反射，部分反射回波返回到激光雷达。所述扫描镜组件还可以用于接收和反射所述反射回波。例如将接收到的反射回波反射到下游的光学器件上，进行汇聚，最终入射到光电传感器上，例如雪崩式光电二极管，产生电流输出。通过使得扫描镜组件及用于发出探测激光束，又用于接收反射回波，整个激光雷达的结构更为紧凑。

因此通过本发明，提供了一种结构简单的往复摆动和谐振机构耦合(Hybrid)的一体二维扫描系统。相比传统的两个独立Galvo镜的二维扫描系统，本发明具有单一的镜面，不仅布局紧凑能够节省空间，同时不存在使用两个独立镜面时存在相互投影所造成的有效光学口径减小的问题。相比于传统的二维转镜或者二维谐振镜，本发明采用转镜和谐振镜耦合的hybrid形态，充分考虑了实际二维扫描中往往存在一个方向上需要高频扫描另一个方向上低频扫描的应用场景；其中，摆动机构适合大视场低频扫描，谐振机构适合一定的角度的高频扫描。本发明的摆动机构中具有转动轴的结构特征，相比之下，传统的有刚度谐振式扫描的最大摆角(一般不超过一百度)显著受限于材料许用强度。因此，本发明扫描架构的视场可拓展性更大，能够实现从小角度到大角度不等的扫描角度(通常，可实现光学角从几度到一百多度不等)。相比于360度转动的电机牵引谐振镜的扫描架构，本发明采用往复摆动机构牵引，提高了扫描时间利用效率，能够更好适用大多数实际的应用场景，并具有更高角分辨率或更高帧频(例如：同样高频谐振频率下获得更高线束的雷达)。

相比于传统的平面式的二维扫描镜中两个转轴或谐振轴限定于同一平面，本发明中的往复摆动机构的转动轴和谐振轴之间可以呈现任意角度布置，从而可以灵活地根据入射光线角度做出相应调整从而能够减小光学畸变。相比于有刚度谐振式扫描中由于具有低频谐振点易于与环境振动共振相比，本发明低频扫描中采用的往复摆动机构自身不具有固有谐振频率，不仅响应带宽显著提升，而且抵抗环境振动激励能力也显著增加；因此，器件的功能丰富性和可靠性将会有明显改善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (11)

1.一种可用于激光雷达的扫描镜组件，包括：

基座；

反射镜支撑装置，设置在所述基座上，并可围绕第一轴线往复摆动；

反射镜单元，包括反射镜，设置在所述反射镜支撑装置上，所述反射镜可围绕第二轴线枢转，第一轴线与第二轴线非共线。

2.根据权利要求1所述的扫描镜组件，其中所述第一轴线垂直于所述第二轴线。

3.根据权利要求1所述的扫描镜组件，其中所述反射镜支撑装置来回摆动的频率低于所述反射镜单元枢转的频率。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的扫描镜组件，其中所述反射镜单元按照其谐振频率围绕所述第二轴线枢转，所述反射镜支撑装置来回摆动的频率不同于所述反射镜单元的谐振频率。

5.根据权利要求4所述的扫描镜组件，其中所述反射镜单元为一维振镜。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的扫描镜组件，还包括驱动单元，所述驱动单元与所述反射镜支撑装置连接，并驱动所述反射镜支撑装置围绕第一轴线来回摆动，

所述驱动单元包括音圈电机或步进电机。

7.根据权利要求6所述的扫描镜组件，其中所述反射镜支撑装置配置成可围绕所述第一轴线以匀加速、匀速、匀减速的方式摆动。

8.根据权利要求7所述的扫描镜组件，其中所述反射镜支撑装置配置成在其摆动范围内沿两个方向以同样的方式摆动，

或者，所述反射镜支撑装置配置成在其摆动范围内沿两个方向以不同的方式摆动。

9.根据权利要求6所述的扫描镜组件，其中所述反射镜支撑装置的摆动范围包括有效扫描角度范围和位于所述有效扫描角度范围两侧的冗余角度范围。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的扫描镜组件，其中反射镜单元包括反射部和连接在所述反射部两端的圆形杆，所述圆形杆构成所述第二轴线。

11.一种激光雷达，包括：

激光器，配置成可发射探测激光束；

如权利要求1-10所述的扫描镜组件，所述扫描镜组件设置在所述激光器的光路下游，以接收所述探测激光束，并通过所述扫描镜组件的反射镜单元的摆动，将所述探测激光束反射出所述激光雷达。

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