CN110873867A - 基于mems扫描镜的激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于MEMS扫描镜的激光雷达系统。该系统包括：激光发射装置用于发射激光束；MEMS扫描镜用于对激光束进行反射形成扫描激光束，MEMS扫描镜能够在预设的偏转角度范围内摆动，实现第一方向上的光束扫描，扫描激光束的出射方向与MEMS扫描镜的偏转角度相关；光学转镜用于对扫描激光束进行反射形成反射激光束，光学转镜围绕光学转镜的转轴进行旋转或摆动，实现第二方向上的光束扫描；光学转镜还用于对接收到的目标回波进行反射形成反射回波，目标回波是反射激光束在目标物上发生漫反射后的回波；激光接收装置用于接收反射回波。本公开实施例的系统，激光束的光能利用率高，系统的探测距离大，探测精度和探测的分辨率高。

Description

基于MEMS扫描镜的激光雷达系统

技术领域

本公开涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于MEMS扫描镜的激光雷达系统。

背景技术

激光雷达技术是以发射激光束探测目标物的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达技术基于飞行时间法(Time of flight，简称TOF)计算目标物的特征量。激光雷达技术被广泛应用于自动驾驶、地表形貌测绘、军事侦察、大气探测、机器人视觉等领域。但相关技术中，激光雷达所发射的激光束的光能量利用率低、探测距离近、探测精度和探测的分辨率低。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种基于MEMS扫描镜的激光雷达系统。

根据本公开的一方面，提供了一种基于MEMS扫描镜的激光雷达系统，所述系统包括：

激光发射装置，用于发射激光束；

MEMS扫描镜，用于对所述激光束进行反射，形成扫描激光束，所述MEMS扫描镜能够在预设的偏转角度范围内摆动，实现第一方向上的光束扫描，所述扫描激光束的出射方向与所述MEMS扫描镜的偏转角度相关；

光学转镜，用于对所述扫描激光束进行反射，形成反射激光束，所述光学转镜围绕所述光学转镜的转轴进行旋转或摆动，实现第二方向上的光束扫描；

所述光学转镜还用于对接收到的目标回波进行反射，形成反射回波，所述目标回波是所述反射激光束在目标物上发生漫反射后的回波；

激光接收装置，用于接收所述反射回波，

其中，所述光学转镜的转轴与所述MEMS扫描镜的转轴相互垂直，所述第一方向与所述第二方向垂直。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：

第一控制装置，用于根据获取到的反馈控制信号，控制所述激光发射装置发出所述激光束的时间，

其中，所述反馈控制信号包括所述MEMS扫描镜的偏转角度。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：

第二控制装置，用于根据获取到的反馈控制信号，控制所述光学转镜的旋转或摆动，

其中，所述反馈控制信号包括所述MEMS扫描镜的偏转角度。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述激光接收装置包括光学接收元件和线阵APD探测器，

所述光学接收元件，位于所述光学转镜与所述线阵APD探测器之间的光路上，对接收到的所述反射回波进行会聚；

所述线阵APD探测器，用于接收会聚后的所述反射回波。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述光学接收元件包括会聚透镜。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述MEMS扫描镜为单轴MEMS扫描镜，所述MEMS扫描镜的最大偏转角度为±10°～±30°，摆动频率为1kHz～1000kHz。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述光学转镜包括以下任一种：

单面镀膜的反射镜、双面镀膜的反射镜和多面镀膜的多棱柱体反射镜。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：

准直装置，位于所述激光发射装置和所述MEMS扫描镜之间的光路上，用于压缩所述激光束的发散角，以对所述激光束进行准直。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，从所述准直装置发出的准直后的激光束的直径为0.1mm～10mm。

对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：

分析装置，用于对所述激光接收装置所接收到的所述反射回波和所述激光束进行比较分析，根据分析结果确定与所述目标物相关的信息。

本公开实施例所提供的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统包括：激光发射装置，用于发射激光束；MEMS扫描镜，用于对激光束进行反射，形成扫描激光束，MEMS扫描镜能够在预设的偏转角度范围内摆动，实现第一方向上的光束扫描，扫描激光束的出射方向与MEMS扫描镜的偏转角度相关；光学转镜，用于对扫描激光束进行反射，形成反射激光束，光学转镜围绕光学转镜的转轴进行旋转或摆动，实现第二方向上的光束扫描；光学转镜还用于对接收到的目标回波进行反射，形成反射回波，目标回波是反射激光束在目标物上发生漫反射后的回波；激光接收装置，用于接收反射回波。该系统激光束的光能利用率高，探测距离大，探测精度和探测的分辨率高。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统的结构示意图。

图2示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统中MEMS扫描镜的工作示意图。

图3示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括激光发射装置11、MEMS扫描镜12、光学转镜13和激光接收装置14。激光发射装置11用于发射激光束。MEMS扫描镜12用于对激光束进行反射，形成扫描激光束，MEMS扫描镜12能够在预设的偏转角度范围内摆动，实现第一方向上的光束扫描，扫描激光束的出射方向与MEMS扫描镜12的偏转角度相关。光学转镜13用于对扫描激光束进行反射，形成反射激光束，光学转镜13围绕光学转镜13的转轴进行旋转或摆动，实现第二方向上的光束扫描。光学转镜13还用于对接收到的目标回波进行反射，形成反射回波，目标回波是反射激光束在目标物上发生漫反射后的回波。激光接收装置14用于接收反射回波。其中，光学转镜13的转轴与MEMS扫描镜12的转轴相互垂直，第一方向与第二方向垂直。第一方向可以是水平方向或垂直方向等。

在本实施例中，MEMS扫描镜可以设置在激光发射装置所发射的激光束的出射光路上，光学转镜可以设置在MEMS扫描镜所反射出的扫描激光束的光路上。这样，可以使得MEMS扫描镜反射出的扫描激光束能够直接照射到光学转镜上，在经光学转镜反射后形成反射激光束。

在本实施例中，激光发射装置可以是光纤激光器、半导体激光器等能够发出激光束的装置。MEMS扫描镜(亦可称MEMS微镜)是指采用光学微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)制造工艺制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。

图2示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统中MEMS扫描镜的工作示意图。如图2所示，由于MEMS扫描镜处于持续摆动的状态，在MEMS扫描镜的每一个摆动周期中，不同时刻MEMS扫描镜的偏转角度不同，使得激光束入射到MEMS扫描镜的入射角θ也会随之变化。由于激光束入射到MEMS扫描镜的入射角θ不同，MEMS扫描镜反射后所形成的扫描激光束的出射方向也因此不同。一个摆动周期内不同时间点入射到MEMS扫描镜的激光束，经MEMS扫描镜反射可以获得出射方向不同的多束扫描激光束(各束扫描激光束的出射时间也不同)，多束扫描激光束照射在同一平面内所形成的光斑位于同一直线上。

在本实施例中，通过MEMS扫描镜和光学转镜的反射作用，MEMS扫描镜将能够扫描“一个点”的激光束反射为能够扫描“一个线”的扫描激光束，实现了第一方向上的光束扫描。光学转镜将能够扫描“一个线”的扫描激光束反射为能够扫描“一个面”的反射激光束，实现了第二方向上的光束扫描。通过MEMS扫描镜和光学转镜的反射作用，形成扫描光场(或可称探测视场)，实现三维扫描。系统所形成的扫描光场的探测角度大，扩大了系统的探测范围。另外，各反射激光束的能量集中度较高，与激光接收装置可以很好地匹配，使得系统的探测距离、精度和分辨率得到提升。

图3示出根据本公开一实施例的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图3所示，该系统还可以包括第一控制装置15。第一控制装置15用于根据获取到的反馈控制信号，控制激光发射装置11发出激光束的时间。其中，反馈控制信号可以包括MEMS扫描镜12的偏转角度。

在该实现方式中，第一控制装置可以根据MEMS扫描镜的偏转角度，确定激光发射装置发出激光束的时间，以使激光束被MEMS扫描镜反射所形成的扫描激光束能够被光学转镜所接收。也使得光学转镜反射出反射激光束后，能够接收到反射激光束被目标物漫反射所形成的目标回波，且使得光学转镜反射目标回波所形成的反射回波能够被激光接收装置所接收。这样，提高了激光束的能量利用率，所获得的目标回波的能量高、信噪比低。激光发射装置在第一控制装置的控制下所发出的激光束可以是脉冲激光束。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，该系统还可以包括第二控制装置16。第二控制装置16用于根据获取到的反馈控制信号，控制光学转镜13的旋转或摆动。其中，反馈控制信号可以包括MEMS扫描镜12的偏转角度。

在该实现方式中，第二控制装置可以根据MEMS扫描镜的偏转角度对光学转镜的旋转或摆动进行控制，以实现第二个方向上的光束扫描。使得光学转镜能够接收到扫描激光束，并对扫描激光束进行反射形成反射激光束。也使得光学转镜能够接收到反射激光束被目标物漫反射所形成的目标回波，并可以使反射目标回波所形成的反射回波能够被激光接收装置所接收。这样，提高了激光束的能量利用率，所获得的目标回波的能量高、信噪比低。第二控制装置可以对光学转镜转动的速度、角度、方向等，或者摆动的摆角、速度等进行控制。

在一种可能的实现方式中，光学转镜13可以包括以下任一种：单面镀膜的反射镜、双面镀膜的反射镜和多面镀膜的多棱柱体反射镜。

在该实现方式中，光学转镜可以为至少一面镀膜的反射镜，反射镜所镀的膜可以是金属银、铝的薄膜。光学转镜与MEMS扫描镜的结合，可以使扫描的范围扩展到三维空间。在实现系统的三维扫描的过程中，光学转镜的存在使得系统能够在更长的扫描时间(也可称探测时间，扫描时间是指单位时间内，系统实际进行扫描的时间)和/或更大的角度范围内采集到有效信息，大大提高了激光雷达系统的测量效率。其中，光学转镜的镀膜面数越多、尺寸越大，其所能反射的扫描激光束越多，系统的探测角度越大、探测时间越长。

举例来说，以光学转镜为两面镀膜的反射镜为例，由于两个镀膜的镜面都可以对扫描激光束进行反射，在一个摆动周期内，两个镀膜的镜面分别转动到与激光发射装置相对时，都可以对目标物进行扫描，相比于具有一个镀膜的镜面的光学转镜的探测时间更长、探测角度更大，可以提高激光雷达系统的探测效率。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，激光接收装置14可以包括光学接收元件141和线阵APD探测器142。光学接收元件141位于光学转镜13与线阵APD探测器142之间的光路上，对接收到的反射回波进行会聚。线阵APD探测器142用于接收会聚后的反射回波。

在一种可能的实现方式中，光学接收元件可以包括会聚透镜。会聚透镜可以是凸透镜等具备会聚功能的透镜。

在该实现方式中，可以根据线阵APD探测器的有效区域的尺寸、反射回波的入射角度等信息，对会聚透镜的口径、焦距等进行设置，以使反射回波经过会聚透镜会聚后能够被线阵APD探测器接收。

在该实现方式中，线阵APD探测器可以包括多个阵列单元，每个阵列单元能够接收特定的视场范围内的反射回波，即每个阵列单元能够接收特定的入射角度范围的反射回波。那么，每个阵列单元接收的反射回波所对应的反射激光束的发射角度需处于特定的发射角度范围，也即每个阵列单元能够接收的反射回波所对应的激光束射入MEMS扫描镜的入射角需处于特定的入射角度范围。可以根据线阵APD探测器中阵列单元的数量，对每个MEMS扫描镜的摆动周期内系统所发出的反射激光束的数量进行设置。例如，可以将每个MEMS扫描镜的摆动周期内系统所发出的反射激光束的数量设置为线阵APD探测器所包括阵列单元的数量。这样，能够更加有效利用激光发射装置发射的激光束的能量，实现多通道并行测量，提高激光雷达系统的扫描效率。

在该实现方式中，线阵APD探测器包括的阵列单元的数量越多、每个阵列单元的视场越大(即能够接收的反射回波的特定的入射角度范围越大)，系统的探测视场越大。

在一种可能的实现方式中，MEMS扫描镜12可以为单轴MEMS扫描镜，MEMS扫描镜12的最大偏转角度可以为±10°～±30°，摆动频率可以为1kHz～1000kHz。

在该实现方式中，可以根据所需的探测范围、探测速度对MEMS扫描镜的最大偏转角度、摆动频率等进行设置。最大偏转角度越大，探测范围越大；摆动频率越大，扫描速度越大。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，该系统还可以包括准直装置17。准直装置17位于激光发射装置11和MEMS扫描镜12之间的光路上，用于压缩激光束的发散角，以对激光束进行准直。

在该实现方式中，准直装置可以是平凸透镜、透镜组等能够对激光束进行准直的装置。通过对激光束进行准直，可以有效地利用激光束的能量，提高扫描的准确性。

在一种可能的实现方式中，从准直装置17发出的准直后的激光束的直径可以为0.1mm～10mm。

在该实现方式中，可以根据MEMS扫描镜的镜面尺寸、探测范围等对准直后的激光束的直径进行设置，并根据确定的直径选择合适的准直装置。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，该系统还可以包括分析装置18。分析装置18用于对激光接收装置14所接收到的反射回波和激光束进行比较分析，根据分析结果确定与目标物相关的信息。

在该实现方式中，确定的与目标物相关的信息可以包括目标物与系统的相对位置、目标物与系统之间的距离、目标物所在方向等信息，本公开对此不作限制。

本公开实施例所提供的基于MEMS扫描镜的激光雷达系统，激光束的光能利用率高，目标回波的信噪比低、能量高，能够在实现三维扫描的同时，大幅度提高激光雷达系统的探测距离、探测精度和探测的分辨率。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了基于MEMS扫描镜的激光雷达系统如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各部分，只要符合本公开的技术方案即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种基于MEMS扫描镜的激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：

激光发射装置，用于发射激光束；

MEMS扫描镜，用于对所述激光束进行反射，形成扫描激光束，所述MEMS扫描镜能够在预设的偏转角度范围内摆动，实现第一方向上的光束扫描，所述扫描激光束的出射方向与所述MEMS扫描镜的偏转角度相关；

光学转镜，用于对所述扫描激光束进行反射，形成反射激光束，所述光学转镜围绕所述光学转镜的转轴进行旋转或摆动，实现第二方向上的光束扫描；

所述光学转镜还用于对接收到的目标回波进行反射，形成反射回波，所述目标回波是所述反射激光束在目标物上发生漫反射后的回波；

激光接收装置，用于接收所述反射回波，

其中，所述光学转镜的转轴与所述MEMS扫描镜的转轴相互垂直，所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第一控制装置，用于根据获取到的反馈控制信号，控制所述激光发射装置发出所述激光束的时间，

其中，所述反馈控制信号包括所述MEMS扫描镜的偏转角度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二控制装置，用于根据获取到的反馈控制信号，控制所述光学转镜的旋转或摆动，

其中，所述反馈控制信号包括所述MEMS扫描镜的偏转角度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光接收装置包括光学接收元件和线阵APD探测器，

所述光学接收元件，位于所述光学转镜与所述线阵APD探测器之间的光路上，对接收到的所述反射回波进行会聚；

所述线阵APD探测器，用于接收会聚后的所述反射回波。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光学接收元件包括会聚透镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MEMS扫描镜为单轴MEMS扫描镜，所述MEMS扫描镜的最大偏转角度为±10°～±30°，摆动频率为1kHz～1000kHz。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学转镜包括以下任一种：

单面镀膜的反射镜、双面镀膜的反射镜和多面镀膜的多棱柱体反射镜。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

准直装置，位于所述激光发射装置和所述MEMS扫描镜之间的光路上，用于压缩所述激光束的发散角，以对所述激光束进行准直。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，从所述准直装置发出的准直后的激光束的直径为0.1mm～10mm。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

分析装置，用于对所述激光接收装置所接收到的所述反射回波和所述激光束进行比较分析，根据分析结果确定与所述目标物相关的信息。

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