CN110824458A - 一种大范围扫描共轴式mems激光雷达光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，包括准直激光器、一维MEMS振镜、反射镜、转镜、驱动电机和接收端；所述准直激光器与一维MEMS振镜设置在同一直线上；所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜设置在另一方向的同一直线上；所述准直激光器与一维MEMS振镜所在的直线与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述接收端与反射镜设置在同一直线上并与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述驱动电机安装在转镜下方；本发明没有使用半透半反镜，能量损失小；接收光路中，损失的能量也较低；采用了一维MEMS振镜和转镜相结合的方式，再保证光束能量集中的前提下，极大提升了激光雷达水平方向的扫描角度。

Description

一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统
技术领域
本发明涉及一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，属于光学、激光雷达技术领域。
背景技术
激光雷达通过发射激光与接收到回波信号的时间差实现测距功能，目前通过MEMS微镜实现二维扫描的激光雷越来越多，这一类的激光雷达一般用如下几种方式实现二维扫描：利用一维MEMS振镜结合一维光学放大元件来实现；利用两个一维MEMS振镜同步驱动实现二维扫描；利用二维MEMS振镜实现二维扫描。此外，有的MEMS激光雷达发射光路和接收光路完全分开，有的采用发射光路和接收光路共轴的形式，相比于非共轴光路，共轴光路的接收端要求较低，系统也比较简单。
中国发明专利CN107219532A公开了基于MEMS微扫瞄镜的三位激光雷达及测距方法，利用单轴MEMS微镜和具有一维放大功能的光学元件配合使用，实现二维扫描，利用线状探测单元组成的光电探测器实现激光回波探测，这种方案的主要问题在于，其一维放大功能的光学元件将激光整形成了线光斑，造成能量的分散，因此无法进行远距测量。
中国发明专利CN 109709572A公开了一种半共轴光路接收激光雷达系统，利用两个振动平面相互垂直的一维MEMS振镜同步驱动，实现发射端的二维扫描，被反射的光线经过第二一维MEMS振镜和半透半反镜，被接收系统接收，这种方案的主要缺点在于：第二一维MEMS振镜面积要比较大，这样的MEMS振镜控制难度大，成本高，由于是共轴光路，光束从发射到被接收要两次经过半透半反镜，能量损耗大。
中国发明专利CN109239693A公开了一种收发共路扫描激光雷达，利用一个二维MEMS振镜实现二维扫描，反射光线经过MEMS振镜和半透半反镜，被接收系统接收，这种方案和第二种方案有同样的问题，光束从发射到被接收要两次经过半透半反镜，光能损耗大，此外，二维MEMS振镜扫描角度较小，难以实现大范围扫描。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，克服现有的MEMS激光雷达能量损耗高、扫描角度小的难题。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，包括准直激光器、一维MEMS振镜、反射镜、转镜、驱动电机和接收端；所述准直激光器与一维MEMS振镜设置在同一直线上；所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜设置在另一方向的同一直线上；所述准直激光器与一维MEMS振镜所在的直线与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述接收端与反射镜设置在同一直线上并与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述驱动电机安装在转镜下方。
优选的，所述驱动电机驱动转镜匀速转动。
优选的，所述反射镜中部设有长条孔。
优选的，所述转镜由多片矩形反射镜片组成的且相邻两片矩形反射镜片互相垂直。
优选的，所述接收端由接收镜头和接收探测器组成。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，整个系统没有使用半透半反镜，在发射光路中，几乎没有能量损失；接收光路中，由于带孔反射镜的孔面积较小，损失的能量也较低；采用了一维MEMS振镜和转镜相结合的方式，再保证光束能量集中的前提下，极大提升了激光雷达水平方向的扫描角度。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统的结构示意图；
附图2为本发明的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统的另一方向示意图；
其中：1、准直激光器；2、一维MEMS振镜；3、反射镜；4、转镜；5、驱动电机；6、接收端。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1、2所示为本发明所述的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，包括准直激光器1、一维MEMS振镜2、反射镜3、转镜4、驱动电机5和接收端6；所述准直激光器1与一维MEMS振镜2设置在同一直线上；所述反射镜3、转镜4与一维MEMS振镜2设置在另一方向的同一直线上；所述准直激光器1与一维MEMS振镜2所在的直线与所述反射镜3、转镜4与一维MEMS振镜2所在的直线成角度相交；所述接收端6与反射镜3设置在同一直线上并与所述反射镜3、转镜4与一维MEMS振镜2所在的直线成角度相交；所述驱动电机5安装在转镜4下方。
为了更好地扩大扫描范围，所述驱动电机5驱动转镜4匀速转动。
为了更好的减少能力损耗，所述反射镜3中部设有长条孔。
为了提高探测帧率，所述转镜4由多片矩形反射镜片组成的且相邻两片矩形反射镜片互相垂直。
为了更好地实现后续信号的处理，所述接收端6由接收镜头和接收探测器组成。
工作原理如下：准直激光器1发射出准直光束，经过一维MEMS振镜2反射，形成沿竖直方向扫描的光束，光束从反射镜3的长条孔穿过，打在转镜4上，由于转镜4的转轴和水平方向呈一定度数的夹角，被转镜4反射后，光束向斜上方射出，打在探测物体上，探测物体的反射光沿原路反射，打在转镜4上，经转镜4反射，射向带长条孔的反射镜3，由于物体是漫反射，大部分光线被反射镜3的镜面部分反射，最终被接收端6接收，进行后续的信号处理，在工作时，转镜4在驱动电机5的驱动下，绕旋转轴匀速旋转，从而将光束反射向各个方向，完成光束水平方向上的大范围扫描，转镜4每转动一圈，采集到的图像帧数与转镜4的反射镜片数量相同。
本系统中，带长条孔的反射镜3的开孔大小适当，确保射出的光束完全穿过长条孔；转镜4的旋转轴和水平方向的夹角大小，确保出射光经转镜4反射后不会打在反射镜3和接收端6的边缘；其中，将一维MEMS振镜2和转镜4相结合，大大提高了传统MEMS激光雷达的水平扫描角度，同时不会分散光束能量，探测距离得到保证，采用带长条孔的反射镜3，提高系统光能利用率；转镜4由多片反射镜片组成，可以提高单位时间内接收端6采集图像的帧数。
本发明的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，整个系统没有使用半透半反镜，在发射光路中，几乎没有能量损失；接收光路中，由于反射镜3的长条孔面积较小，损失的能量也较低；采用了一维MEMS振镜2和转镜4相结合的方式，再保证光束能量集中的前提下，极大提升了激光雷达水平方向的扫描角度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，其特征在于：包括准直激光器、一维MEMS振镜、反射镜、转镜、驱动电机和接收端；所述准直激光器与一维MEMS振镜设置在同一直线上；所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜设置在另一方向的同一直线上；所述准直激光器与一维MEMS振镜所在的直线与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述接收端与反射镜设置在同一直线上并与所述反射镜、转镜与一维MEMS振镜所在的直线成角度相交；所述驱动电机安装在转镜下方。
2.如权利要求1所述的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，其特征在于：所述驱动电机驱动转镜匀速转动。
3.如权利要求1所述的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，其特征在于：所述反射镜中部设有长条孔。
4.如权利要求1所述的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，其特征在于：所述转镜由多片矩形反射镜片组成的且相邻两片矩形反射镜片互相垂直。
5.如权利要求1所述的一种大范围扫描共轴式MEMS激光雷达光学系统，其特征在于：所述接收端由接收镜头和接收探测器组成。
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