CN111381239B - 一种激光测量模组和激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种激光测量模组和激光雷达，可用于自动驾驶、智能驾驶等领域。在该激光测量模组中，N个激光测距组件，用于将出射光束入射到反射镜上；反射镜，用于对出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到MEMS微振镜上；MEMS微振镜，用于改变出射光束的方向，实现二维扫描；还用于改变回波光束的方向，将回波光束入射到反射镜上，回波光束为出射光束入射到目标物上反射的光束；反射镜，还用于对回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到N个激光测距组件中；N个激光测距组件，还用于接收回波光束，并根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。

Description

一种激光测量模组和激光雷达
本申请要求于2018年12月29日提交中国专利局、申请号为201811639922.1、发明名称为“一种多线程微振镜激光测量模组和激光雷达”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种激光测量模组和激光雷达。
背景技术
激光雷达是一种以激光为测量光源的主动式遥感仪器，具有测量距离远、精度高、分辨率高、可全天时测量等优点，在地理信息测绘、无人车自动驾驶、数字城市等领域发挥重要作用。近年来，自动驾驶技术发展迅速，激光雷达正由机械化向固态化逐步转变。以微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)微振镜作为光束指向控制器的固态激光雷达具有测量精度高、扫描速度快、扫描线数灵活可配、机械磨损小、成本低、可大批量生产等优点，代表了未来的发展方向，同时MEMS激光雷达集成度高、体积小巧，功耗低，有利于集成在车身内部，可大幅度提升无人车的美观性。
尽管固态激光雷达的潜力巨大，但相较于机械式激光雷达，在扫描角度和分辨率等关键技术指标上相差甚远。为满足无人驾驶的技术需求，需要进一步提升系统的扫描角度和分辨率，因此最直接有效的技术方法是在激光雷达中集成多组的激光扫描组件，即可由增加激光扫描组件的数量来提升系统的测量角度和分辨率。
现有技术中提供一种典型的同轴MEMS激光雷达，包括了多组激光扫描组件，每组激光扫描组件内都包括了激光光源、探测器和MEMS微振镜。每组激光扫描组件的测量光束经光学窗口出射，对每组激光扫描组件进行结构上的布局，可实现扫描点云的拼接。由于每组激光扫描组件中均配置有一个独立的MEMS微振镜，导致整个激光雷达的集成度较低，且增加了激光雷达的制造成本。
发明内容
本申请实施例提供了一种激光测量模组和激光雷达，用于提高激光测量模组的集成度和紧凑性，有效降低激光雷达的制造成本。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供以下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种激光测量模组，包括：N个激光测距组件、反射镜和1个微机电系统MEMS微振镜，所述N为大于或等于2的正整数，其中，所述N个激光测距组件，用于将出射光束入射到所述反射镜上；所述反射镜，用于对所述出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到所述MEMS微振镜上；所述MEMS微振镜，用于改变所述出射光束的方向，实现二维扫描；还用于改变回波光束的方向，将所述回波光束入射到所述反射镜上，其中，所述回波光束为所述出射光束入射到目标物上反射的光束；所述反射镜，还用于对所述回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到所述N个激光测距组件中；所述N个激光测距组件，还用于接收所述回波光束，并根据所述出射光束和所述回波光束的时间差进行测距。
在本申请实施例中，激光测量模组包括N个激光测距组件、反射镜和1个MEMS微振镜，N个激光测距组件的出射光束可通过反射镜入射到MEMS微振镜上，MEMS微振镜改变出射光束的方向，实现二维扫描。出射光束从MEMS微振镜上出射后，入射到目标物上会产生回波光束。该MEMS微振镜还可以改变回波光束的方向，通过反射镜将该回波光束入射到N个激光测距组件中，因此N个激光测距组件可接收回波光束，并根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。本申请实施例中，激光测量模组的反射镜可以对N个激光测距组件的出射光束和回波光束进行反射，使得N个激光测距组件可以共用1个MEMS微振镜，因此在激光测量模组中只需要设置1个MEMS微振镜，而不需要为是每个激光测距组件分别设置相应的MEMS微振镜，使用反射镜来实现多个激光测距组件和单一MEMS微振镜的光路链接，提高激光测量模组的集成度和紧凑性，有效降低激光雷达的制造成本，可用于自动驾驶、智能驾驶等领域。
在第一方面的一种可能实现中，所述激光测量模组还包括：N个光束转向元件；所述N个光束转向元件与N个所述反射镜一一对应；所述N个激光测距组件中每个激光测距组件通过相应的所述光束转向元件，将出射光束入射到相应的所述反射镜。其中，激光测量模组内的激光测距组件的个数和反射镜的个数相等，都是N个，一个激光测距组件对应有一个反射镜，即每个激光测距组件的出射光束只发送至该激光测距组件对应的反射镜上，同样的，一个反射镜从MEMS微振镜接收到的回波光束，也只发送至该反射镜对应的激光测距组件上。本申请实施例中，N个激光测距组件共享同一个MEMS微振镜，每一个激光测距组件对应于一个完全独立的反射镜，这使得激光测距组件在激光测量模组内的位置可以始终固定不动，仅通过调整反射镜的设计，便可改变激光雷达的扫描角度、出光方向和外观形态等属性，灵活的光路架构大幅度提升了激光雷达的应用扩展性。另外，本申请实施例中每个激光测距组件都可以将各自的出射光束发送至相应的反射镜，因此激光测距组件的位置固定不变，仅通过调节无源的反射镜来进行光路调校，可提升光路调测的稳定性和便利性。
在第一方面的一种可能实现中，所述激光测量模组还包括：N个光束转向元件；所述N个光束转向元件与N个所述反射镜一一对应；所述N个激光测距组件中每个激光测距组件通过相应的所述光束转向元件，将出射光束入射到相应的所述反射镜。具体的，激光测量模组还包括N个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数和激光测距组件的个数相等，激光测量模组中的光束转向元件的个数和反射镜的个数也相等。对于N个激光测距组件中的每个激光测距组件都经过一个光束转向元件，将每个激光测距组件的出射光束发送至相应的反射镜。
在第一方面的一种可能实现中，所述光束转向元件为转向镜。
在第一方面的一种可能实现中，所述激光测量模组还包括：光束转向元件；所述光束转向元件，用于对所述激光测距组件的出射光束进行折射，并将折射后的出射光束入射到所述反射镜；所述光束转向元件，还用于将所述反射镜发送的回波光束入射到所述激光测距组件中。其中，光束转向元件用于实现对该元件接收到的光束进行转向，例如光束转向元件具有光束折射功能，从而可以改变该元件接收到的光束的方向。光束转向元件从激光测距组件接收到出射光束，可以对该出射光束进行折射。光束转向元件从反射镜接收到回波光束，再对该回波光束进行折射，最后将回波光束发送至激光测距组件，由激光测距组件进行测距。
在第一方面的一种可能实现中，所述光束转向元件为折光镜。
在第一方面的一种可能实现中，当所述N的取值为大于或等于5的奇数时，所述激光测量模组还包括：(N-1)个光束转向元件；若i小于(N+1)/2，所述N个激光测距组件中的第i个激光测距组件通过所述(N-1)个光束转向元件中的第i个光束转向元件和所述N个反射镜中的第i个反射镜相连接；若i大于(N+1)/2，所述N个激光测距组件中的第i个激光测距组件通过所述(N-1)个光束转向元件中的第(i-1)个光束转向元件和所述N个反射镜中的第i个反射镜相连接；其中，所述i为小于或等于N的正整数。具体的，当N的取值为大于或等于5的奇数时，激光测量模组还包括(N-1)个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数比激光测距组件的个数少1个，对于N个激光测距组件位于中心的第(N+1)/2个激光测距组件不经过光束转向元件，直接将第(N+1)/2个激光测距组件的出射光束发送至第(N+1)/2个反射镜，而对于N个激光测距组件中的除第(N+1)/2个激光测距组件以外的其它激光测距组件都通过光束转向元件将出射光束发送至相应的反射镜。
在第一方面的一种可能实现中，当所述N的取值为大于或等于6的偶数时，所述激光测量模组还包括：(N-2)个光束转向元件；若i小于N/2，所述N个激光测距组件中的第i个激光测距组件通过所述(N-2)个光束转向元件中的第i个光束转向元件和所述N个反射镜中的第i个反射镜相连接；若i大于(N+2)/2，所述N个激光测距组件中的第i个激光测距组件通过所述(N-2)个光束转向元件中的第(i-2)个光束转向元件和所述N个反射镜中的第i个反射镜相连接；其中，所述i为小于或等于N的正整数。具体的，当N的取值为大于或等于6的偶数时，激光测量模组还包括(N-2)个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数比激光测距组件的个数少2个，对于N个激光测距组件位于中心的第(N+2)/2个激光测距组件、第N/2个激光测距组件不经过光束转向元件，直接将第(N+2)/2个激光测距组件的出射光束发送至第(N+2)/2个反射镜，将第N/2个激光测距组件的出射光束发送至第N/2个反射镜。而对于N个激光测距组件中的除第(N+2)/2个激光测距组件、第N/2个激光测距组件以外的其它激光测距组件都通过光束转向元件将出射光束发送至相应的反射镜。
在第一方面的一种可能实现中，N个所述反射镜位于同一条直线上，当所述N为大于或等于5的奇数时，以第(N+1)/2个所述反射镜为中心；若i为大于2且小于或等于(N+1)/2的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；若i为大于(N+1)/2且小于或等于N的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。其中，N个反射镜位于同一条直线上，例如N个反射镜的镜面中心可以位于同一条直线上，N个反射镜呈对称分布，且这N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔并不相等。当N的取值为大于或等于5的奇数时，以第(N+1)/2个反射镜为中心，例如N的取值为5，则以第3个反射镜为中心。N个反射镜中除第(N+1)/2个反射镜以外的其余反射镜呈对称、且不等间隔分布。N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔可以相等或不相等。例如N等于3时，相邻两个反射镜之间的间隔相等。又如，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔不相等，且越靠近中心的两个反射镜之间的间距越小，越远离中心的两个反射镜之间的间距越大。例如，若i大于2且小于或等于(N+1)/2，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距，第(i-2)个反射镜、第(i-1)个反射镜、第i个反射镜依次逐渐靠近中心(即第(N+1)/2个反射镜)，因此第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距不大于第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距。同样的，若i大于(N+1)/2且小于或等于N，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
在第一方面的一种可能实现中，N个所述反射镜位于同一条直线上，当所述N的取值为大于或等于6的偶数时，以第N/2个所述反射镜和第N/2+1个所述反射镜之间的中点为中心；若i为大于2且小于或等于N/2的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；若i为大于N/2且小于或等于N的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。其中，N个反射镜位于同一条直线上，例如N个反射镜的镜面中心可以位于同一条直线上，N个反射镜呈对称分布，且这N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔并不相等。当N的取值为大于或等于6的偶数时，以第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜之间的中点为中心，N个反射镜中除第N/2个反射镜和第(N/2+1)个反射镜以外的其余反射镜呈对称、且不等间隔分布。N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔可以相等或不相等。例如N等于3时，相邻两个反射镜之间的间隔相等。又如，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔不相等，且越靠近中心的两个反射镜之间的间距越小，越远离中心的两个反射镜之间的间距越大。例如，若i大于2且小于或等于N/2，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距，第(i-2)个反射镜、第(i-1)个反射镜、第i个反射镜依次逐渐靠近中心(即第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜之间的中点)，因此第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距不大于第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距。同样的，若i大于N/2且小于或等于N，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
在第一方面的一种可能实现中，N个所述反射镜中的第i个所述反射镜的镜面法向与第i个所述反射镜的出射光束之间的夹角，等于N个所述反射镜中的第(i+1)个所述反射镜的镜面法向与所述第(i+1)个所述反射镜的出射光束之间的夹角；其中，所述i为小于或等于N的正整数。在本申请实施例中，N个反射镜中第i个反射镜和第(i+1)个反射镜是相邻的两个反射镜，第i个反射镜的出射光束和第(i+1)个反射镜的出射光束都会发送至MEMS微振镜。N个反射镜中的第i个反射镜的镜面法向与第i个反射镜的出射光束之间的夹角为第一夹角，N个反射镜中的第(i+1)个反射镜的镜面法向与第(i+1)个反射镜的出射光束之间的夹角为第二夹角，则第一夹角和第二夹角相等，即N个反射镜中每个反射镜的镜面法向与该反射镜的出射光束之间的夹角都相同，从而保证N个反射镜的出射光束都以相同的方向入射至MEMS微振镜上，从而保证MEMS微振镜可以接收来自相同方向的N个出射光束。
在第一方面的一种可能实现中，所述MEMS微振镜，用于分别接收到N个所述反射镜发送的出射光束，并对N个所述反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，将N个所述反射镜分别对应的出射光束发送出去，实现二维扫描；其中，所述MEMS微振镜发送出去的N个出射光束中相邻两个出射光束之间的夹角相等。具体的，激光测量模组中可以包括N个反射镜，则N个反射镜可以发出N个出射光束，MEMS微振镜，用于分别接收到N个反射镜发送的出射光束，并对N个反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，实现二维扫描；将N个反射镜分别对应的出射光束发送出去。对于MEMS微振镜发送出去的N个反射镜分别对应的出射光束中相邻两个反射镜发送的出射光束之间的夹角相等，即MEMS微振镜发送出去的N个出射波束之间的夹角是相等的。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件相互平行。即在激光测量模组中N个激光测距组件是相互平行的，从而便于在激光测量模组中设置多个激光测距组件，只要保证多个激光测距组件是相互平行关系即可，因此本申请实施例提供的激光测量模组内部组件更加紧凑，实现了激光测量模组的小型化。
第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜位于所述反射镜的同一侧；所述N个激光测距组件以所述MEMS微振镜为中心，在所述MEMS微振镜的左右两侧呈对称分布。
其中，在激光测量模组内可以MEMS微振镜作为中心，N个激光测距组件呈左右对称分布。举例说明如下，若N的取值为偶数，则前N/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的左半平面内，另外的N/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的右半平面内，从而实现N个激光测距组件的左右对称分布。又如N的取值为奇数，则前(N-1)/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的左半平面内，第(N+1)/2个激光测距组件与MEMS微振镜位于以MEMS微振镜作为中心的同一个垂直面上，另外的(N-1)/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的右半平面内，从而实现N个激光测距组件的左右对称分布。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件中相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ、所述MEMS微振镜的水平摆幅角χ之间满足如下关系：
θ≤2χ。
其中，MEMS微振镜的水平摆幅角χ和任意相邻的激光测距组件各自的出射光束在水平面上的夹角θ需满足上述关系，可以保证多组激光测距组件的点云扫描轨迹在水平方向上无缝拼接。
在第一方面的一种可能实现中，所述激光测距组件的个数N，与所述激光测量模组的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000062
所述MEMS微振镜的水平摆幅角χ、相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ之间满足如下关系：
Figure BDA0002113298270000061
其中，激光测量模组的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000063
MEMS微振镜的水平摆幅角χ(MEMS微振镜的摆幅范围从-χ/2至χ/2)和相邻激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ满足上述关系，N需要满足上述的约束关系以保证激光测量模组的水平扫描角度范围，例如激光雷达的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000064
为106°，χ＝8°，θ＝15°时，该N的取值可以为6或7。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件所在的平面，和所述MEMS微振镜所在的平面为不同的平面。其中，N个激光测距组件、支架都固定在底板上，MEMS微振镜安装在支架上，N个激光测距组件所在的平面和MEMS微振镜所在的平面为不同的平面，从而可以将激光测距组件和MEMS微振镜能够分层放置，进而可有效避免激光测距组件对垂直扫描角度造成遮挡的风险，将激光雷达的垂直扫描角度最大化。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件中每个激光测距组件在所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α，与所述MEMS微振镜的垂直倾斜角β、所述MEMS微振镜的垂直摆幅角ω之间满足如下关系：
α≥ε(2β+ω)，
其中，ε是所述反射镜和所述MEMS微振镜的安装误差因子。
其中，MEMS微振镜的垂直摆幅角为ω，MEMS微振镜的摆幅范围从-ω/2至ω/2，为保证激光雷达在扫描角在垂直方向上不发生遮挡，α、β和ω三者之间满足上述关系，ε是反射镜和MEMS微振镜的安装误差因子，ε由反射镜和MEMS微振镜的外形尺寸导致的安装误差来确定，例如ε的取值可以为1.05至1.3中的任意一个数值，ε的具体取值不做限定。举例说明如下，当α＝20°、β＝5°、ω＝15°和ε＝1时，激光雷达的垂直扫描角范围为-5至25°，即垂直扫描角为30°，此时不会发生角度遮挡。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件中每个激光测距组件在所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α都相等；所述α大于或等于10度，且小于或等于50度。
在第一方面的一种可能实现中，所述MEMS微振镜的垂直倾斜角β大于或等于5度，且小于或等于45度。
其中，激光测距组件在反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α应控制在10°至50°范围内，例如夹角α为20°，或者25°，或者40°等，MEMS微振镜倾斜角度β的取值范围在5°至45°范围内，例如夹角β为10°，或者15°，或者30°等。α在10°至50°范围内，β在5°至45°范围内，若α、β的角度太小，会增加MEMS微振镜和反射镜的距离，激光雷达的体积增加，若α、β的角度太大，意味着MEMS微振镜上入射光角度也很大，点云的扫描图像会发生畸变。因此α在10°至50°范围内，β在5°至45°范围内，可以减少激光雷达的体积，避免点云的扫描图像畸变。
在第一方面的一种可能实现中，所述反射镜的个数为M，所述M为正整数；当所述N等于所述M时，所述激光测距组件和所述反射镜为一一对应关系。即可以在激光测量模组中设置N个反射镜，由于激光测量模组中设置有N个激光测距组件，则每个激光测距组件可以使用一个专用的反射镜，用于该激光测距组件的出射光束发送以及回波光束接收。
在第一方面的一种可能实现中，所述反射镜的个数为M，所述M为正整数；当所述N大于所述M时，所述N个激光测距组件中至少两个激光测距组件对应于同一个反射镜。即可以在激光测量模组中设置M(M不等于N)个反射镜，由于激光测量模组中设置有N个激光测距组件，而N大于M，因此在激光测量模组内必然存在至少两个激光测距组件共用同一个反射镜的，每个激光测距组件可以使用相对应的反射镜，用于该激光测距组件的出射光束发送以及回波光束接收。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件中的每个激光测距组件包括：激光器、分光镜、探测器；所述激光器，用于产生出射光束，所述出射光束通过所述分光镜入射在所述反射镜上；所述分光镜，用于接收所述由所述反射镜入射的回波光束，并将所述回波光束入射到所述探测器中；所述探测器，用于接收所述回波光束，并根据所述出射光束和所述回波光束的时间差进行测距。其中，每个激光测距组件中都设置有激光器、分光镜、探测器，激光器可用于产生光束，该光束定义为出射光束，本申请实施例中激光器产生的出射光束不会直接入射到MEMS微振镜，而是由分光镜先将该出射光束入射到反射镜上，反射镜可以进行光路转折，通过反射镜的光路转折可以将出射光束入射到MEMS微振镜上。
在第一方面的一种可能实现中，所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜，分别和数据处理电路相连接。
第二方面，本申请实施例还提供一种多线程微振镜激光雷达，所述多线程微振镜激光雷达，包括：如前述第一方面中任一项所述的激光测量模组，以及数据处理电路；所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜，分别与所述数据处理电路相连接；所述数据处理电路，用于分别从所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜获取到数据，并进行数据处理。
其中，本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达包括激光测量模组和数据处理电路，N个激光测距组件和MEMS微振镜分别和数据处理电路相连接。数据处理电路分别从N个激光测距组件和MEMS微振镜获取到数据之后，可以对该数据进行处理，其中数据处理电路从激光测距组件中获取目标的距离值，从MEMS微振镜中获取目标的角度值，由距离值和角度值可换算出目标的空间坐标。
在第二方面的一种可能实现中，所述多线程微振镜激光雷达，还包括：底板、支架、连接杆，其中，所述N个激光测距组件、所述反射镜位于所述底板上；所述支架位于所述底板上，所述MEMS微振镜位于所述支架上；所述连接杆的两端分别连接所述底板和所述数据处理电路，所述连接杆用于支撑所述数据处理电路。
其中，后续实施例中将提供多线程微振镜激光雷达的立体结构图，通过多线程微振镜激光雷达的立体结构来详细说明底板、支架、连接杆，其中，N个激光测距组件、反射镜、支架都固定在底板上，MEMS微振镜位于支架上，该支架用于将MEMS微振镜相对于底板所在的平面位置提高，从而可以实现MEMS微振镜与N个激光测距组件的分层设置，并且通过对反射镜和支架的设置，从而可以调整N个激光测距组件、反射镜和MEMS微振镜三者之间的位置关系，实现激光测量模组的最佳光学性能，后续实例将对出射光束在三者之间的角度关系进行说明。
在本申请实施例中，连接杆的两端分别连接底板和数据处理电路，该连接杆用于支撑数据处理电路，使得数据处理电路和底板可以分层设置，使得数据处理电路和激光测量模组可以位于同一个立体空间内，从而有利于多线程微振镜激光雷达的集成化和紧凑化设计，降低了多线程微振镜激光雷达的制造成本。
接下来本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达(简称为激光雷达)进行举例说明，本申请实施例涉及了一种多线程微振镜激光雷达，在多组激光测距组件和MEMS微振镜之间设置了一组反射镜，来达到连接光路的目的，使激光测距组件能够对称排布，使得系统布局更加紧凑、灵活。使得多组激光测距组件和MEMS微振镜能够分层放置，从而有效避免了扫描角度的遮挡。
第三方面，本申请实施例提供一种基于第一方面所述的激光测量模组实现的激光扫描方法，该激光扫描方法可以包括如下步骤：将N个激光测距组件的出射光束入射到反射镜上；对所述出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到所述MEMS微振镜上；改变所述出射光束的方向，实现二维扫描；使用MEMS微振镜从目标物上接收回波光束，然后改变回波光束的方向，将所述回波光束入射到所述反射镜上，其中，所述回波光束为所述出射光束入射到目标物上反射的光束；对所述回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到所述N个激光测距组件中；使用N个激光测距组件接收所述回波光束，并根据所述出射光束和所述回波光束的时间差进行测距。
本申请实施例提供的激光扫描方法还包括：基于第一方面所述的激光测量模组执行的其它方法流程，详见前述第一方面中对激光测量模组中的组成结构的功能说明，此处不做逐一详述。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光测量模组的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的激光测距组件的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达中光束的传播路径示意图；
图5为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达的立体结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达的水平扫描范围示意图；
图7为本申请实施例提供的一种激光测距组件和MEMS微振镜的相对位置关系示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种多线程微振镜激光雷达的立体结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种激光测距组件和MEMS微振镜的相对位置关系示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种激光测距组件和MEMS微振镜的相对位置关系示意图；
图11为本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达中设置多个反射镜的一种结构示意图；
图12为本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达中设置多个反射镜的另一种结构示意图；
图13为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图14为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图15为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图16为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图17为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图18为本申请实施例提供的激光测距组件的立体图；
图19为本申请实施例提供的激光测距组件的一种俯视图；
图20为本申请实施例提供的激光测距组件的侧视图；
图21为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种立体图；
图22为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图；
图23为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种俯视图；
图24为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种立体图；
图25为本申请实施例提供的激光测距组件的另一种结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种激光测量模组和激光雷达，用于提高激光测量模组的集成度和紧凑性，有效降低激光雷达的制造成本。
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。
如图1所示，本申请实施例提供一种多线程微振镜激光测量模组100，多线程微振镜激光测量模组100包括：N个激光测距组件101、反射镜102和1个MEMS微振镜103，N为大于或等于2的正整数，其中，
N个激光测距组件101，用于将出射光束入射到反射镜102上；
反射镜102，用于对出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到MEMS微振镜103上；
MEMS微振镜103，用于改变出射光束的方向，实现二维扫描；还用于改变回波光束的方向，将回波光束入射到反射镜102上，其中，回波光束为出射光束入射到目标物上反射的光束；
反射镜102，还用于对回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到N个激光测距组件101中；
N个激光测距组件101，还用于接收回波光束，并根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。
在本申请实施例提供的多线程微振镜激光测量模组中包括有多个激光测距组件，激光测距组件的个数用N来表示，例如多线程微振镜激光测量模组中可以设置有3个激光测距组件，又如多线程微振镜激光测量模组中可以设置有6个激光测距组件等，具体取决于应用场景。激光测距组件用于产生光束，该光束定义为出射光束，并且本申请实施例中N个激光测距组件产生的出射光束不会直接入射到MEMS微振镜，而是激光测距组件先将该出射光束入射到反射镜上，反射镜可以进行光路转折，通过反射镜的光路转折可以将出射光束入射到MEMS微振镜上，因此只需要设置1个MEMS微振镜，而不需要为是每个激光测距组件分别设置相应的MEMS微振镜，使用反射镜来实现多个激光测距组件和单一MEMS微振镜的光路连接，提高激光测量模组的集成度和紧凑性，有效降低激光雷达的制造成本，适用于对体积、尺寸和成本有严格要求的车载环境中。
本申请实施例中，出射光束从MEMS微振镜上出射之后，入射到目标物上会产生回波光束，该MEMS微振镜还可以改变回波光束的方向，通过反射镜将该回波光束入射到N个激光测距组件中，因此N个激光测距组件可接收回波光束，并根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。本申请实施例中激光测距组件所采用的测距算法不做限定。应理解，该时间差可以为激光测距组件发射出射光束和接收到回波光束之间的时间差。
本申请实施例中，MEMS微振镜可改变出射光束的方向，实现二维扫描。其中二维扫描指的是MEMS微振镜可以沿互相垂直的两个方向摆动，通过MEMS微振镜的摆动来实现光束的二维扫描。
在本申请实施例中，反射镜可以是镀有金属膜或介质膜的平面反射镜、棱镜，也可以是光栅、纳米光学天线等具有双向光束偏转功能的光学元件。
在本申请实施例中，N个激光测距组件能够共用同一个MEMS微振镜。由于激光测距组件产生的出射光束不会直接入射到MEMS微振镜，而是激光测距组件先将该出射光束入射到反射镜上，反射镜可以实现光路转折，通过反射镜的光路转折可以将N个激光测距组件的出射光束入射到同一MEMS微振镜上。N个激光测距组件的出射光束不需要直接入射至MEMS微振镜上，而是需要经过反射镜转折后再入射到MEMS微振镜，因此多线程微振镜激光测量模组内设置N个激光测距组件和MEMS微振镜时，激光测距组件和MEMS微振镜的位置关系是灵活的，因此多线程微振镜激光测量模组可以实现高集成度，以及更紧凑的结构，降低了多线程微振镜激光测量模组的制造成本。该多线程微振镜激光测量模组应用于多线程微振镜激光雷达时，可降低多线程微振镜激光雷达的制造成本。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件和MEMS微振镜位于反射镜的同一侧。进一步地，N个激光测距组件以MEMS微振镜为中心，在MEMS微振镜的左右两侧呈对称分布。其中，在多线程微振镜激光测量模组内可以MEMS微振镜作为中心，N个激光测距组件呈左右对称分布。举例说明如下，若N的取值为偶数，则前N/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的左半平面内，另外的N/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的右半平面内，从而实现N个激光测距组件的左右对称分布。又如N的取值为奇数，则前(N-1)/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的左半平面内，第(N+1)/2个激光测距组件与MEMS微振镜位于以MEMS微振镜作为中心的同一个垂直面上，另外的(N-1)/2个激光测距组件可以位于MEMS微振镜为中心的右半平面内，从而实现N个激光测距组件的左右对称分布。
在本申请的一些实施例中，请参阅图2所示，为本申请实施例提供的激光测距组件的结构示意图，对于N个激光测距组件中的每个激光测距组件101，都包括：激光器1011、分光镜1012、探测器1013；
激光器1011，用于产生出射光束，出射光束通过分光镜入射在反射镜上；
分光镜1012，用于接收由反射镜入射的回波光束，并将回波光束入射到探测器1013中；
探测器1013，用于接收回波光束，并根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。
其中，每个激光测距组件中都设置有激光器、分光镜、探测器，激光器可用于产生光束，该光束定义为出射光束，本申请实施例中激光器产生的出射光束不会直接入射到MEMS微振镜，而是由分光镜先将该出射光束入射到反射镜上，反射镜可以进行光路转折，通过反射镜的光路转折可以将出射光束入射到MEMS微振镜上。本申请实施例中对分光镜的类型不做限定。
本申请实施例中，出射光束从MEMS微振镜上出射之后，入射到目标物上会产生回波光束，该MEMS微振镜还可以改变回波光束的方向，通过反射镜将该回波光束入射到分光镜中，分光镜可接收回波光束，然后将该回波光束入射到探测器，最后由探测器根据出射光束和回波光束的时间差进行测距。本申请实施例中探测器所采用的测距算法不做限定。
在本申请的一些实施例中，多线程微振镜激光测量模组中设置的反射镜的个数为M，M为整数，例如M为正整数。当N等于M时，激光测距组件和反射镜为一一对应关系。即可以在多线程微振镜激光测量模组中设置N个反射镜，由于多线程微振镜激光测量模组中设置有N个激光测距组件，则每个激光测距组件可以使用一个专用的反射镜，用于该激光测距组件的出射光束发送以及回波光束接收。
不限定的是，在本申请的另一些实施例中，多线程微振镜激光测量模组中设置的反射镜的个数为M，M可以为正整数。当N大于M时，N个激光测距组件中至少两个激光测距组件对应于同一个反射镜。即可以在多线程微振镜激光测量模组中设置M(M不等于N)个反射镜，由于多线程微振镜激光测量模组中设置有N个激光测距组件，而N大于M，因此在多线程微振镜激光测量模组内必然存在至少两个激光测距组件共用同一个反射镜的，每个激光测距组件可以使用相对应的反射镜，用于该激光测距组件的出射光束发送以及回波光束接收。后续实施例中将对多线程微振镜激光测量模组中设置多个反射镜的情况进行详细说明。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件和所述MEMS微振镜，分别和所述数据处理电路相连接。数据处理电路所采用的数据处理算法可以根据激光雷达的具体要求来配置，此处不再对数据处理采用的算法逐一说明。
前述实施例详细说明了多线程微振镜激光测量模组，接下来对本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达进行举例说明，如图3所示，多线程微振镜激光雷达10，包括：如前述实施例中所述的多线程微振镜激光测量模组100，以及数据处理电路200；
多线程微振镜激光测量模组100，包括：N个激光测距组件101、反射镜102和1个MEMS微振镜103，其中，
N个激光测距组件101和MEMS微振镜102，分别与数据处理电路200相连接；
反射镜102，用于将N个激光测距组件101的出射光束转折至MEMS微振镜103上；对回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到N个激光测距组件101中；
数据处理电路200，用于分别从N个激光测距组件101和MEMS微振镜103获取到数据，并进行数据处理。
其中，本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达包括多线程微振镜激光测量模组和数据处理电路，N个激光测距组件和MEMS微振镜分别和数据处理电路相连接。数据处理电路分别从N个激光测距组件和MEMS微振镜获取到数据之后，可以对该数据进行处理，其中数据处理电路从激光测距组件中获取目标的距离值，从MEMS微振镜中获取目标的角度值，由距离值和角度值可换算出目标的空间坐标。数据处理电路所采用的数据处理算法可以根据激光雷达的具体要求来配置，此处不再对数据处理采用的算法逐一说明。
在本申请的一些实施例中，多线程微振镜激光雷达除了包括多线程微振镜激光测量模组，以及数据处理电路之外，该多线程微振镜激光雷达，还包括：底板、支架、连接杆，其中，
N个激光测距组件、反射镜位于底板上；
支架位于底板上，MEMS微振镜位于支架上；
连接杆的两端分别连接底板和数据处理电路，连接杆用于支撑数据处理电路。
其中，后续实施例中将提供多线程微振镜激光雷达的立体结构图，通过多线程微振镜激光雷达的立体结构来详细说明底板、支架、连接杆，其中，N个激光测距组件、反射镜、支架都固定在底板上，MEMS微振镜位于支架上，该支架用于将MEMS微振镜相对于底板所在的平面位置提高，从而可以实现MEMS微振镜与N个激光测距组件的分层设置，并且通过对反射镜和支架的设置，从而可以调整N个激光测距组件、反射镜和MEMS微振镜三者之间的位置关系，实现激光测量模组的最佳光学性能，后续实例将对出射光束在三者之间的角度关系进行说明。
在本申请实施例中，连接杆的两端分别连接底板和数据处理电路，该连接杆用于支撑数据处理电路，使得数据处理电路和底板可以分层设置，使得数据处理电路和多线程微振镜激光测量模组可以位于同一个立体空间内，从而有利于多线程微振镜激光雷达的集成化和紧凑化设计，降低了多线程微振镜激光雷达的制造成本。
接下来本申请实施例提供的多线程微振镜激光雷达(简称为激光雷达)进行举例说明，本申请实施例涉及了一种多线程微振镜激光雷达，在多组激光测距组件和MEMS微振镜之间设置了一组反射镜，来达到连接光路的目的，使激光测距组件能够对称排布，使得系统布局更加紧凑、灵活。使得多组激光测距组件和MEMS微振镜能够分层放置，从而有效避免了扫描角度的遮挡。
本申请实施例涉及了一种多线程微振镜激光雷达，如图4所示，以激光雷达中包括的激光测距组件的个数N为3示例说明，n组(示例中n＝3)激光测距组件分别为100a、100b和100c，反射镜110，MEMS微振镜120和数据处理电路130。其中n组激光测距组件配置完全一致，以100a为例，100a主要由激光器101a、分光镜102a、探测器103a构成。同理，100b主要由激光器101b、分光镜102b、探测器103b构成，100c主要由激光器101c、分光镜102c、探测器103c构成。激光测距组件100a中的出射光束104a入射在反射镜110上，反射镜110对光路进行转折，经转折后光束再入射至MEMS微振镜120上，MEMS微振镜120通过二维摆动实现光束140a扫描。同理，激光测距组件100b生成的光束140b入射到MEMS微振镜120上，激光测距组件100c生成的光束140c入射到MEMS微振镜120上，MEMS微振镜120通过二维摆动实现光束140b、光束140c扫描。经MEMS微振镜120调整方向后的出射光束104a打在目标物上，其回波光束105a沿原路径返回，经MEMS微振镜120、反射镜110和分光镜102a后被探测器103a接收。3组激光测距组件100a、100b和100c的结构一致，分时发射激光束。数据处理电路130用于n组激光测距组件100a、100b和100c和MEMS微振镜120的控制和数据处理。
本申请实施例中，通过在n组激光测距组件100和MEMS微振镜120之间设置了一组反射镜110，使得激光雷达整机的布局更加紧凑，空间利用率更高。利用反射镜来转折光路的作用，将多组激光测距组件100和MEMS微振镜110放置在同一侧，有利于电路板的走线。同时，可以MEMS微振镜120为中心，将激光测距组件100以MEMS为中心，在其两侧左右对称排布，使得整机结构更加美观、合理和便利，在此结构上可简单通过增加或减少激光测距组件100的数量来灵活调整激光雷达的配置。另外增加了反射镜，利用其转折光路的作用，可将激光测距组件100和MEMS微振镜120能够分层放置，进而可有效避免激光测距组件100对扫描角度造成遮挡的风险，将激光雷达的扫描角度最大化。如果不加反射镜，多个组件和MEMS微振镜放在同一个平面，若两者距离太近，就可能会有扫描角度的遮挡；若两者距离太远，整个激光雷达的结构就不够紧凑，因此需要加入反射镜来折叠光路，实现两者的分层放置。
如图5所示，为本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达的立体结构示意图。在底板140上放置7组激光测距组件(100a、100b、100c、100d、100e、100f和100g)和反射镜110。以激光测距组件100a为例，其出射光束104a水平出射，打在反射镜110上，反射镜110使出射光束104a发生折转，折转后的出射光束104a入射至MEMS微振镜120上，通过MEMS微振镜120的二维摆动来实现光束扫描，经目标物散射的回波光束105a沿原光路返回。各激光测距组件的光路彼此独立，互相不发生干涉。其中，支架1201的作用是将MEMS微振镜120的位置架高，MEMS微振镜120和激光测距组件可以实现分层设置。
在本申请实施例中，采用反射镜110来连接光路，使得MEMS微振镜120和n组激光测距组件100能够安置在同一侧，使得激光测距组件100和MEMS微振镜120的走线通道一致，从而有利于激光测距雷达整机的电路板接线和散热处理。
在本申请的实施例中，以MEMS微振镜120建立坐标系来描述MEMS微振镜120、激光测距组件100和反射镜110三者之间的位置关系。在图5中，MEMS微振镜120处于三维xyz空间中，xz平面为水平面，yz平面为垂直平面，MEMS微振镜120主要包括：镜面1201、外框底面1202、外框前表面1203、水平摆动轴1205和垂直摆动轴1204，其中水平摆动轴1205和垂直摆动轴1204相互垂直，镜面1201处于静止时，镜面1201与外框前表面1203平行，与外框底面1202垂直。为简化描述，镜面1201的摆幅角等效为MEMS微振镜120的摆幅角，即MEMS微振镜120沿水平摆动轴1205发生摆动，其水平摆幅角为χ，MEMS微振镜120沿垂直摆动轴1204发生摆动，其垂直摆幅角为ω。可选地，水平摆幅角和垂直摆幅角可以为MEMS微振镜120在正常工作状态下支持的摆动角度。
在本申请实施例中，利用反射镜110，使多组激光测距组件100以MEMS微振镜120为中心(例如可认为是以MEMS微振镜的水平摆动轴1205为中心)，在底板140上左右两侧呈对称排布，详见图6。图6中共有7组激光测距组件，激光测距组件100d居中，激光测距组件100a、100b和100c，以及激光测距组件100e、100f和100g分别在激光测距组件100d的两侧对称排开，相邻激光测距组件各自的出射光束在水平面上的夹角可灵活设计，以满足指定的水平扫描角的需求。举例说明如下，当MEMS微振镜的水平摆幅角为10°时，一个激光测距组件配合一个MEMS微振镜可以测量20°的水平角度，使用3个激光测距组件共用同一个MEMS微振镜来进行水平角度拼接，实现60°的水平角度。若改变MEMS微振镜的水平摆幅角为5°时，一个激光测距组件配合一个MEMS微振镜只测量10°的水平角度，使用6个激光测距组件共用同一个MEMS微振镜进行水平角度拼接，在该条件下同样可实现60°的水平角度，但激光雷达的分辨率相比于MEMS微振镜的水平摆幅角为10°时的分辨率可以提高一倍，其原因是激光测距组件的个数从3个增加到了6个。7组激光测距组件100的出射光束104a、104b、104c、104d、104e、104f、104g分别扫描不同的区域，并在水平方向上进行角度拼接，详见图6所示。
在本申请的一些实施例中，结合图5所示，在MEMS微振镜上定义了前述的三维空间坐标系，N个激光测距组件中相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ、MEMS微振镜的水平摆幅角χ之间满足如下关系：
θ≤2χ。
其中，如图6所示，例如激光测距组件100c和激光测距组件100d各自的出射光束在水平面上的夹角为θ。MEMS微振镜的水平摆幅角χ和任意相邻的激光测距组件各自的出射光束在水平面上的夹角θ需满足上述关系，可以保证多组激光测距组件的点云扫描轨迹在水平方向上无缝拼接。
在本申请的一些实施例中，激光测距组件的个数N，与多线程微振镜激光测量模组的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000142
MEMS微振镜的水平摆幅角χ、相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ之间满足如下关系：
Figure BDA0002113298270000141
其中，如图6所示，例如激光测距组件100c和激光测距组件100d各自的出射光束在水平面上的夹角为θ，多线程微振镜激光测量模组的水平扫描角为
Figure BDA0002113298270000143
激光测距组件的使用数量为N；则多线程微振镜激光测量模组的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000145
MEMS微振镜120的水平摆幅角χ(MEMS微振镜的摆幅范围从-χ/2至χ/2)和相邻激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ满足上述关系，N需要满足上述的约束关系以保证多线程微振镜激光测量模组的水平扫描角度范围，例如激光雷达的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000146
为106°，χ＝8°，θ＝15°时，该N的取值可以为6或7。通过多线程微振镜激光测量模组的水平扫描角
Figure BDA0002113298270000144
MEMS微振镜的水平摆幅角χ、相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ满足的上述关系，可以确定出激光测距组件的个数。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件所在的平面，和MEMS微振镜所在的平面为不同的平面。如图5所示，N个激光测距组件、支架都固定在底板上，MEMS微振镜安装在支架上，N个激光测距组件所在的平面和MEMS微振镜所在的平面为不同的平面，从而可以将激光测距组件和MEMS微振镜能够分层放置，进而可有效避免激光测距组件对垂直扫描角度造成遮挡的风险，将激光雷达的垂直扫描角度最大化。
本申请实施例中，反射镜110的另一作用在于能够有效避免垂直扫描角度的遮挡，详见图7所示。在图7中，激光测距组件100d的出射光束104d水平入射在反射镜110上，反射镜110上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角为α，为了使出射光束仍入射在MEMS微振镜120上，因此需要利用MEMS支架1201将MEMS微振镜架高。通过将MEMS微振镜120和激光测距组件100d的分层放置，可有效避免出射光束104d在在垂直扫描中不发生角度遮挡。
当MEMS微振镜120的外框底面1202与底板平面140平行时，反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α是出射光束104d在MEMS微振镜的镜面1201上的垂直入射角。当反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α过大时，会导致点云的扫描轨迹发生畸变，影响点云图像质量。为解决该问题，本申请实施例中可将MEMS微振镜120沿其垂直摆动轴1204垂直向下倾斜一个固定角度，即MEMS微振镜的垂直倾斜角β，以减小光束在镜面上的入射角度，该倾斜角β与α相关。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件中每个激光测距组件在反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α，与MEMS微振镜的垂直倾斜角β、所述MEMS微振镜的垂直摆幅角ω之间满足如下关系：
α≥ε(2β+ω)，
其中，ε是反射镜和MEMS微振镜的安装误差因子。
以图7为例，MEMS微振镜120的垂直摆幅角为ω，MEMS微振镜的摆幅范围从-ω/2至ω/2，为保证激光雷达在扫描角在垂直方向上不发生遮挡，α、β和ω三者之间满足上述关系，ε是反射镜和MEMS微振镜的安装误差因子，ε由反射镜和MEMS微振镜的外形尺寸导致的安装误差来确定，例如ε的取值可以为1.05至1.3中的任意一个数值，ε的具体取值不做限定。举例说明如下，当α＝20°、β＝5°、ω＝15°和ε＝1时，激光雷达的垂直扫描角范围为-5至25°，即垂直扫描角为30°，此时不会发生角度遮挡。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件每个激光测距组件在所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α都相等；
α大于或等于10度，且小于或等于50度。
在本申请的一些实施例中，MEMS微振镜的垂直倾斜角β大于或等于5度，且小于或等于45度。
其中，N个激光测距组件每个激光测距组件在所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α应控制在10°至50°范围内，例如夹角α为20°，或者25°，或者40°等。MEMS微振镜的垂直倾斜角度β的取值范围在5°至45°范围内，例如夹角β为10°，或者15°，或者30°等。α在10°至50°范围内，β在5°至45°范围内，若α、β角度太小，会增加MEMS微振镜和反射镜的距离，激光雷达的体积增加，若α、β的角度太大，意味着MEMS微振镜上入射光角度也很大，点云的扫描图像会发生畸变。因此α在10°至50°范围内，β在5°至45°范围内，可以减少激光雷达的体积，避免点云的扫描图像畸变。
如图8所示，对7组激光测距组件100、反射镜110和MEMS微振镜120的三者空间位置进行设计，构成了多线程微振镜激光雷达，图8中，激光测距组件100、反射镜110、MEMS微振镜120及支架安装在底板140上，使用连接杆150来支撑数据处理电路130，数据处理电路130通过线缆160来连接激光测距组件100，数据处理电路130通过线缆170来连接微振镜120，数据处理电路130用于器件控制和数据传输。7组激光测距组件的出射光束通过外壳窗口180射向目标。
在前述图5至图8中的反射镜进一步说明，反射镜110的具体功能是改变光束指向角度，出射光束104a和回波光束105b均能够通过反射镜110发生角度偏转，反射镜110可以是镀有金属膜或介质膜的平面反射镜、棱镜，也可以是光栅、纳米光学天线等具有双向光束偏转功能的光学元件。
在本申请的一些实施例中，可灵活改变激光测距组件的数量和摆放位置，来灵活调整激光雷达的扫描角度和分辨率。激光测距组件使用的数量越多，排布越密集，其可获得的点云分辨率就越高，但成本和尺寸也会相应增加，图9和图10分别为使用4组激光测距组件和使用3组激光测距组件时的整机光路结构，在图9中，激光测距组件100a、100b，与激光测距组件100c、100d关于MEMS微振镜120呈左右对称分布。在图10中，激光测距组件100a，与激光测距组件100c关于MEMS微振镜120呈左右对称分布，激光测距组件100b与MEMS微振镜120位于同一个垂直平面上。
在前述的图5、图6、图8中，多组激光测距组件仅对应于一个反射镜110，有时为减小反射镜110的尺寸，可将其拆分，使每一组激光测距组件均对应一个反射镜，详见图11所示。图11中，共计使用了3组激光测距组件100b、100d和100f，其出射光束104b、104d和104f分别打在反射镜110b、110d和110f上，经光束折转入射在MEMS微振镜120上。
在图12中，多组激光测距组件可对应多组反射镜。图12中，共计使用了7组激光测距组件，其中激光测距组件100a、100b的出射光束104a、104b打在反射镜110a上，激光测距组件100c、100d和100e的出射光束104c、104d和104e打在反射镜110b上，而激光测距组件100f、100g的出射光束104f、104g打在反射镜110c上，即共计使用了3组反射镜来转折7组激光测距组件的出射光束，并将7组光束引导至MEMS微振镜120上。
本申请实施例提供的一种多线程微振镜激光雷达，主要包括多组激光测距组件、反射镜、单一MEMS微振镜、数据处理电路，其中反射镜将多组激光测距组件的出射光束折转至MEMS微振镜上，通过MEMS微振镜的二维摆动实现光束扫描。反射镜用于折转光路，使得MEMS微振镜和多组激光测距组件安置在同一侧，且多组激光测距组件在MEMS微振镜的两侧对称排布，有利于提升系统的集成度。反射镜将激光测距组件发出的光束将上折转一个固定角度，其值为10°至50°，使得多组激光测距组件和MEMS微振镜分层放置，以避免激光测距组件对光束扫描角度的遮挡。MEMS微振镜向下倾斜一个固定角度，其值为5°至45°，以降低光束在MEMS微振镜上的入射角度，达到减小点云图像畸变的目的。
另外，本申请实施例中多组激光测距组件可共享一组或多组反射镜。
反射镜可以是镀有金属膜或介质膜的平面反射镜、棱镜，也可以是光栅、纳米光学天线等具有双向光束折转功能的光学元件。
本申请提出了一种多线程微振镜激光雷达光机结构，其通过使用反射镜来实现多组激光测距组件和单一MEMS微振镜的光路连接，使得激光雷达系统的集成度和紧凑性大幅度提升，并有效降低成本。本申请实施例提供的一种多线程激光雷达，其特点不单体现在单一反射镜上，而是通过使用了该反射镜，使得激光雷达的整体光机结构在集成度和紧凑性上得到了显著的提升。
如图13所示，本申请实施例提供一种激光测量模组100，包括：N个激光测距组件101、N个反射镜102和MEMS微振镜103，N为大于或等于2的正整数，其中，
N个激光测距组件101和N个反射镜102一一对应；
N个激光测距组件101中每个激光测距组件101的出射光束入射到N个反射镜102中相应的反射镜102；
N个反射镜102中的每个反射镜102，用于对相应的激光测距组件101的出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到MEMS微振镜103上；
MEMS微振镜103，用于分别接收到N个所述反射镜发送的出射光束，并对N个所述反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，将N个所述反射镜分别对应的出射光束发送出去，实现扫描；还用于改变回波光束的方向，将回波光束入射到相应的反射镜102上，其中，回波光束为出射光束入射到目标物上反射的光束；
N个反射镜102中的每个反射镜102，用于对MEMS微振镜103发送的回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到相应的激光测距组件101中；
N个激光测距组件101中的每个激光测距组件101，还用于接收相应的反射镜102发送的回波光束，并根据每个激光测距组件101发射的出射光束和接收到的回波光束的时间差进行测距。
在本申请实施例提供的激光测量模组中包括有多个激光测距组件，激光测距组件的个数用N来表示，例如激光测量模组中可以设置有3个激光测距组件，又如激光测量模组中可以设置有6个激光测距组件等，具体取决于应用场景。激光测距组件用于产生光束，该光束定义为出射光束，并且本申请实施例中N个激光测距组件产生的出射光束不会直接入射到MEMS微振镜，而是激光测距组件先将该出射光束入射到反射镜上，反射镜可以进行光路转折，通过反射镜的光路转折可以将出射光束入射到MEMS微振镜上，因此只需要设置1个MEMS微振镜，而不需要为是每个激光测距组件分别设置相应的MEMS微振镜，使用反射镜来实现多个激光测距组件和单一MEMS微振镜的光路连接，提高激光测量模组的集成度和紧凑性，有效降低激光雷达的制造成本，适用于对体积、尺寸和成本有严格要求的车载环境中。
其中，激光测量模组内的激光测距组件的个数和反射镜的个数相等，例如激光测距组件的个数和反射镜的个数都是N个，一个激光测距组件对应有一个反射镜，即每个激光测距组件的出射光束只发送至该激光测距组件对应的反射镜上。同样的，一个反射镜从MEMS微振镜接收到的回波光束，也只发送至该反射镜对应的激光测距组件上。本申请实施例中，N个激光测距组件共享同一个MEMS微振镜，每一个激光测距组件对应于一个完全独立的反射镜，这使得激光测距组件在激光测量模组内的位置可以始终固定不动，仅通过调整反射镜的设计，便可改变激光雷达的扫描角度、出光方向和外观形态等属性，灵活的光路架构大幅度提升了激光雷达的应用扩展性。另外，本申请实施例中每个激光测距组件都可以将各自的出射光束发送至相应的反射镜，因此激光测距组件的位置固定不变，仅通过调节无源的反射镜来进行光路调校，可提升光路调测的稳定性和便利性。
举例说明如下，N个激光测距组件分别为第1个激光测距组件、第2个激光测距组件、…、第N个激光测距组件。N个反射镜分别为第1个反射镜、第2个反射镜、…、第N个反射镜。接下来以第i个激光测距组件和第i个反射镜之间的光束传输进行详细说明，i为小于或等于N的正整数。
例如，N个激光测距组件中的第i个激光测距组件的出射光束入射到N个反射镜中的第i个反射镜；
第i个反射镜，用于对第i个激光测距组件的出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到MEMS微振镜上；
第i个反射镜，用于对MEMS微振镜发送的回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到第i个激光测距组件中；
第i个激光测距组件，还用于接收第i个反射镜发送的回波光束，并根据第i个激光测距组件发射的出射光束和接收到的回波光束的时间差进行测距。
其中，结合图13所示，每个激光测距组件对应有一个反射镜，例如第i个激光测距组件对应于第i个反射镜，由于本申请实施例中每个激光测距组件都可以将各自的出射光束发送至相应的反射镜，因此激光测距组件的位置固定不变，仅通过调节无源的反射镜来进行光路调校。对于第i个激光测距组件执行的测距算法，详见前述实施例的描述，此处不再赘述。
在本申请的一些实施例中，激光测量模组内还可以设置多个光束转向元件。其中，光束转向元件用于实现对该光束转向元件接收到的光束进行转向，例如光束转向元件具有光束反射功能，或者具有光束折射功能，从而可以改变该元件接收到的光束的方向。本申请实施例中，光束转向元件可以设置在激光测距组件和反射镜之间。不限定的是，本申请实施例中激光测距组件和反射镜之间可以直接进行光束传输，即不需要借助于光束转向元件，或者激光测距组件和反射镜之间可以通过光束转向元件进行光束传输，接下来进行详细的举例说明。
需要说明的是，本申请实施例中，若激光测距组件和反射镜之间可以通过光束转向元件进行光束传输，则光束转向元件和反射镜可以合称为反射镜组，在后续实施例中以光束转向元件和反射镜合称为反射镜组进行示例说明。
在本申请的一些实施例中，请参阅图14所示，图14中以N大于或等于7进行示例说明，不限定的是，N的取值还不限于此，N的取值还可以为或者3，或者5等。激光测量模组还包括：(N-1)个光束转向元件；
当N的取值为大于或等于5的奇数时，若i为小于(N+1)/2的正整数，N个激光测距组件101中的第i个激光测距组件101通过(N-1)个光束转向元件中的第i个光束转向元件，将输出光束发送至N个反射镜102中的第i个反射镜102；
若i为大于(N+1)/2的正整数，N个激光测距组件101中的第i个激光测距组件101通过(N-1)个光束转向元件中的第(i-1)个光束转向元件，将输出光束发送至N个反射镜102中的第i个反射镜102；
其中，i为小于或等于N的正整数。
具体的，当N的取值为奇数时，激光测量模组还包括(N-1)个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数比激光测距组件的个数少1个，对于N个激光测距组件位于中心的第(N+1)/2个激光测距组件不经过光束转向元件，直接将第(N+1)/2个激光测距组件的出射光束输出，并发送至第(N+1)/2个反射镜，而对于N个激光测距组件中的除第(N+1)/2个激光测距组件以外的其它激光测距组件都通过光束转向元件将出射光束发送至相应的反射镜。
在图14中，对于激光测量模组中的前(N-1)/2个激光测距组件和前(N-1)/2个反射镜，可以通过第(N-1)/2个光束转向元件实现光路连接。对于激光测量模组中的第(N+1)/2个激光测距组件和第(N+1)/2个反射镜直接进行光路连接，不需要经过光束转向元件。对于激光测量模组中的第(N+3)/2个激光测距组件和第(N+3)/2个反射镜，可以通过第(N+1)/2个光束转向元件实现光路连接。同样的，对于激光测量模组中的第N个激光测距组件和第N个反射镜，可以通过第(N-1)个光束转向元件实现光路连接。
在本申请的一些实施例中，第i个反射镜和第i个激光测距组件之间的夹角小于预设的第一角度阈值，此时存在如图14所示的激光测量模组。其中，第一角度阈值的取值可以根据反射镜和激光测距组件在激光测量模组上的位置关系来确定，例如第一角度阈值可以是20度至50度区间内的任意角度值。
举例说明如下，激光测量模组包括N个反射镜组，当N的取值为大于或等于5的奇数时，若i不等于(N+1)/2，则第i个反射镜组包括：反射镜和光束转向元件，若i等于(N+1)/2，第i个反射镜组包括反射镜，且该第i个反射镜组不包括光束转向元件。例如，结合图14所示，当i的取值等于(N+1)/2，反射镜(N+1)/2构成一个反射镜组，当i不等于(N+1)/2时，一个反射镜和一个光束转向元件构成一个反射镜组。
在本申请的一些实施例中，请参阅图15所示，图15中以N大于或等于8进行示例说明，不限定的是，N的取值还不限于此，N的取值还可以为2，或者4，或者6等。激光测量模组还包括：(N-2)个光束转向元件；
当N的取值为大于或等于6的偶数时，若i小于N/2，N个激光测距组件101中的第i个激光测距组件101通过(N-2)个光束转向元件中的第i个光束转向元件，将输出光束发送至N个反射镜102中的第i个反射镜102；
若i大于(N+2)/2，N个激光测距组件101中的第i个激光测距组件101通过(N-2)个光束转向元件中的第(i-2)个光束转向元件，将输出光束发送至N个反射镜102中的第i个反射镜102；
其中，i为小于或等于N的正整数。
具体的，当N的取值为偶数时，激光测量模组还包括(N-2)个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数比激光测距组件的个数少2个，对于N个激光测距组件位于中心的第(N+2)/2个激光测距组件、第N/2个激光测距组件不经过光束转向元件，将第(N+2)/2个激光测距组件的出射光束发送至第(N+2)/2个反射镜，将第N/2个激光测距组件的出射光束发送至第N/2个反射镜。而对于N个激光测距组件中的除第(N+2)/2个激光测距组件、第N/2个激光测距组件以外的其它激光测距组件都通过光束转向元件将出射光束发送至相应的反射镜。
在图15中，对于激光测量模组中的前(N-2)/2个激光测距组件和前(N-2)/2个反射镜，可以通过(N-2)/2个光束转向元件实现光路连接。对于激光测量模组中的第N/2个激光测距组件和第N/2个反射镜直接进行光路连接，不需要经过光束转向元件，同样的，对于激光测量模组中的第(N+2)/2个激光测距组件和第(N+2)/2个反射镜直接进行光路连接，不需要经过光束转向元件。对于激光测量模组中的第(N+4)/2个激光测距组件和第(N+4)/2个反射镜，可以通过第N/2个光束转向元件实现光路连接，同样的，对于激光测量模组中的第N个激光测距组件和第N个反射镜，可以通过第(N-2)个光束转向元件实现光路连接。
在本申请的一些实施例中，第i个反射镜和第i个激光测距组件之间的夹角小于预设的第一角度阈值，此时存在如图15所示的激光测量模组。其中，第一角度阈值的取值可以根据反射镜和激光测距组件在激光测量模组上的位置关系来确定，例如第一角度阈值可以是20度至50度区间内的任意角度值。
举例说明如下，激光测量模组包括N个反射镜组，当N的取值为大于或等于6的偶数时，若i不等于(N+2)/2且不等于N/2，第i个反射镜组包括：反射镜和光束转向元件，若i等于(N+2)/2或者等于N/2，第i个反射镜组包括反射镜，但是第i个反射镜组不包括光束转向元件。例如，结合图15所示，当i的取值等于(N+2)/2或者等于N/2，反射镜(N+2)/2构成一个反射镜组，反射镜N/2构成一个反射镜组，当i不等于(N+2)/2且不等于N/2时，一个反射镜和一个光束转向元件构成一个反射镜组。
在本申请的一些实施例中，光束转向元件104，用于对激光测距组件101的出射光束进行折射，并将折射后的出射光束入射到反射镜102；
光束转向元件104，还用于将反射镜102发送的回波光束入射到激光测距组件101中。
其中，光束转向元件104可用于实现对该光束转向元件104接收到的光束进行转向，例如光束转向元件104具有光束折射功能，从而可以改变该光束转向元件104接收到的光束方向。光束转向元件104从激光测距组件101接收到出射光束，可以对该出射光束进行折射。光束转向元件104从反射镜102接收到回波光束，再对该回波光束进行折射，最后将回波光束发送至激光测距组件101，由激光测距组件101进行测距。
在本申请的一些实施例中，光束转向元件可以为折光镜，折光镜具有光束折射功能，该折光镜可以设置在激光测距组件和反射镜之间。例如，折光镜包括：棱楔片。后续实施例中以棱楔片实现光路折射功能进行示例说明。不限定的是，在图14和图15所示的光束转向元件还可以是具有光束折射功能的其它器件，此处仅作举例，不作为对本申请实施例的限定。
在本申请的一些实施例中，请参阅图16所示，激光测量模组还包括：N个光束转向元件；
N个光束转向元件与N个反射镜102一一对应；
N个激光测距组件101中每个激光测距组件101通过相应的光束转向元件，将出射光束入射到相应的反射镜102。
具体的，激光测量模组还包括N个光束转向元件，由于激光测量模组中激光测距组件和反射镜的个数均为N，因此激光测量模组中的光束转向元件的个数和激光测距组件的个数相等，激光测量模组中的光束转向元件的个数和反射镜的个数也相等。对于N个激光测距组件中的每个激光测距组件都经过一个光束转向元件，将每个激光测距组件的出射光束发送至相应的反射镜。
在图16中，对于激光测量模组中的每个激光测距组件和每个反射镜，可以通过一个光束转向元件实现光路连接。例如，激光测距组件1和反射镜1通过光束转向元件1实现光路链接，激光测距组件2和反射镜2通过光束转向元件2实现光路链接，激光测距组件N和反射镜N通过光束转向元件N实现光路链接。
在本申请的一些实施例中，第i个反射镜和第i个激光测距组件之间的夹角大于预设的第一角度阈值，此时存在如图16所示的激光测量模组。其中，第一角度阈值的取值可以根据反射镜和激光测距组件在激光测量模组上的位置关系来确定，例如第一角度阈值可以是20度至50度区间内的任意角度值。
举例说明如下，激光测量模组包括N个反射镜组，i为小于或等于N的任意一个正整数，则第i个反射镜组包括：反射镜和光束转向元件。例如，结合图16所示，当i的取值等于(N/2+1)，反射镜(N/2+1)构成一个反射镜组，此处i的取值还可以为小于或等于N的其它值，此处仅作举例说明，不作为对本申请实施例的限定。
基于图16所示，光束转向元件用于实现对该元件接收到的光束进行转向，例如光束转向元件具有光束反射功能，从而可以改变该元件接收到的光束的方向。光束转向元件104从激光测距组件101接收到出射光束，可以对该出射光束进行反射。光束转向元件104从反射镜102接收到回波光束，再对该回波光束进行反射，最后将回波光束发送至激光测距组件101，由激光测距组件101进行测距。
在本申请的一些实施例中，光束转向元件可以为转向镜，转向镜具有光束反射功能，该转向镜可以设置在激光测距组件和反射镜之间。后续实施例中以转向镜实现光路反射功能进行示例说明，不限定的是，在图16所示的光束转向元件还可以是具有光束反射功能的其它器件，此处仅作举例，不作为对本申请实施例的限定。
在本申请的一些实施例中，N个反射镜位于同一条直线上，当N的取值为大于或等于5的奇数时，
若i为大于2且小于或等于(N+1)/2的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；
若i为大于(N+1)/2且小于或等于N的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
可选地，以第(N+1)/2个反射镜为中心，N个反射镜中除第(N+1)/2个反射镜以外的其余反射镜呈对称分布。
其中，N个反射镜位于同一条直线上，例如N个反射镜的镜面中心可以位于同一条直线上，N个反射镜呈对称分布。例如这N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔并不相等。当N的取值为大于或等于5的奇数时，以第(N+1)/2个反射镜为中心，例如N的取值为5，则以第3个反射镜为中心。N个反射镜中除第(N+1)/2个反射镜以外的其余反射镜呈对称、且不等间隔分布。
本申请实施例中，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔可以相等或不相等。例如N等于3时，相邻两个反射镜之间的间隔相等。又如，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔不相等，且越靠近中心的两个反射镜之间的间距越小，越远离中心的两个反射镜之间的间距越大。例如，若i为大于2且小于或等于(N+1)/2的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距，第(i-2)个反射镜、第(i-1)个反射镜、第i个反射镜依次逐渐靠近中心(即第(N+1)/2个反射镜)，因此第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距不大于第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距。同样的，若i为大于(N+1)/2且小于或等于N的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
在本申请的一些实施例中，N个反射镜位于同一条直线上，当N的取值为大于或等于6的偶数时，
若i为大于2且小于或等于N/2的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；
若i为大于N/2且小于或等于N的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
可选地，以第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜之间的中点为中心，N个反射镜中除第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜以外的其余反射镜呈对称分布。
其中，N个反射镜位于同一条直线上，例如N个反射镜的镜面中心可以位于同一条直线上，N个反射镜呈对称分布。例如，这N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔并不相等。当N的取值为大于或等于6的偶数时，以第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜之间的中点为中心，N个反射镜中除第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜以外的其余反射镜呈对称、且不等间隔分布。
本申请的一些实施例中，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔可以相等或不相等。例如N等于3时，相邻两个反射镜之间的间隔相等。又如，N个反射镜中相邻两个反射镜之间的间隔不相等，且越靠近中心的两个反射镜之间的间距越小，越远离中心的两个反射镜之间的间距越大。例如，若i为大于2且小于或等于N/2的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距，第(i-2)个反射镜、第(i-1)个反射镜、第i个反射镜依次逐渐靠近中心(即第N/2个反射镜和第N/2+1个反射镜之间的中点)，因此第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距不大于第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距。同样的，若i为大于N/2且小于或等于N的整数，N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
举例说明如下，例如N的取值为5，为保证5组激光测距组件的扫描区域连续拼接，扫描图像不发生错位，要求经MEMS微振镜后5组出射光束沿水平方向上(X轴)呈等角度分布，并在垂直方向上(Y轴)的出射角一致，5个反射镜需要沿X轴布置在一条直线上。例如以第3个反射镜为中心，前两个反射镜与后两个反射镜呈左右镜像关系，并且5个反射镜呈不等间隔排列，两侧靠外的两个反射镜的间隔较大，靠近中心的两个反射镜的间隔较小。改变五个反射镜的间隔、形状等参数，可改变入射至MEMS微振镜上的光束角度，从而达到特定的扫描角度输出。
在本申请的一些实施例中，N个反射镜中的第i个反射镜的镜面法向与第i个反射镜的出射光束之间的夹角，等于N个反射镜中的第(i+1)个反射镜的镜面法向与第(i+1)个反射镜的出射光束之间的夹角；
其中，i为小于或等于N的正整数。
在本申请实施例中，N个反射镜中第i个反射镜和第(i+1)个反射镜是相邻的两个反射镜，第i个反射镜的出射光束和第(i+1)个反射镜的出射光束都会发送至MEMS微振镜。N个反射镜中的第i个反射镜的镜面法向与第i个反射镜的出射光束之间的夹角为第一夹角，N个反射镜中的第(i+1)个反射镜的镜面法向与第(i+1)个反射镜的出射光束之间的夹角为第二夹角，则第一夹角和第二夹角相等，即N个反射镜中每个反射镜的镜面法向与该反射镜的出射光束之间的夹角都相同，从而保证N个反射镜的出射光束都以相同的方向入射至MEMS微振镜上，从而保证MEMS微振镜可以接收来自相同方向的N个出射光束。
需要说明的是，此处第一夹角和第二夹角相等指的是在忽略误差、且精度都相同的情况下两个夹角是相等的，例如第一夹角为32度，第二夹角也是32度，则第一夹角和第二夹角相等。存在一定误差也可以认为是相等的，例如误差为0.1度，第一夹角为32.01度，第二夹角也是32.03度，则第一夹角和第二夹角也可以认为是相等的。
举例说明如下，以N的取值为5为例，经5个反射镜和MEMS微振镜反射后，5路出射光束在同一个平面内等角度出射，其中角度间隔为15°，且该平面400平行于激光测距组件所在的底面。MEMS微振镜在二维空间内进行摆动角度，例如MEMS微振镜在一个维度(例如水平方向)内的摆动角度为20°，MEMS微振镜在另一个维度(例如垂直方向)内的摆动角度为20°，则MEMS微振镜的摆动角度可以简写20*20°，可以使用5组激光测距组件和5组反射镜，可实现100*20°的扫描范围，其中，100*20°表示在一个维度内的摆动角度为100°，在另一个维度内的摆动角度为20°。
在本申请的一些实施例中，MEMS微振镜，用于分别接收到N个反射镜发送的出射光束，并对N个反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，实现二维扫描；将N个反射镜分别对应的出射光束发送出去；
其中，MEMS微振镜发送出去的N个反射镜分别对应的出射光束中相邻两个反射镜发送的出射光束之间的夹角相等。
具体的，激光测量模组中可以包括N个反射镜，则N个反射镜可以发出N个出射光束，MEMS微振镜，用于分别接收到N个反射镜发送的出射光束，并对N个反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，实现二维扫描；将N个反射镜分别对应的出射光束发送出去。对于MEMS微振镜发送出去的N个反射镜分别对应的出射光束中相邻两个反射镜发送的出射光束之间的夹角相等，即MEMS微振镜发送出去的N个出射波束之间的夹角是相等的，详见后续实施例中的立体图说明。
在本申请的一些实施例中，N个激光测距组件相互平行。即在激光测量模组中N个激光测距组件是相互平行的，从而便于在激光测量模组中设置多个激光测距组件，只要保证多个激光测距组件是相互平行关系即可，因此本申请实施例提供的激光测量模组内部组件更加紧凑，实现了激光测量模组的小型化。详见后续实施例中的立体图对多个激光测距组件的平行关系的举例说明。
接下来以详见的应用场景对本申请实施例提供的激光测量模组进行详细说明。
本申请实施例涉及一种MEMS微振镜激光测量模组，具有高扩展性，可以使用多个激光测距组件共享同一MEMS微振镜，每一个激光测距组件对应于一个反射镜组，反射镜组用于激光测距组件和MEMS微振镜之间的光路链接。每一个激光测距组件对应于一个完全独立的反射镜组，这使得激光测距组件始终固定不动，仅通过调整反射镜组的设计，便可改变激光雷达的扫描角度、出光方向和外观形态等属性，灵活的光路架构大幅度提升了MEMS激光雷达的应用扩展性。另外，激光测距组件的位置固定不变，仅通过调节无源的反射镜组来进行光路调校，可提升光路调测的稳定性和便利性。
例如图17所示的MEMS微振镜激光测量模组，图17中包括了N组的激光测距组件，N＝4，激光测距组件100a、100b、100c和100d，4个反射镜组110a、110b、110c和110d，一个MEMS微振镜120。4组激光测距组件的配置完全一致，以100a为例，100a主要由激光器101a、分光镜102a、探测器103a及其它必要的光学元件(准直镜、收光镜等常规元件未显示)和驱动电路构成。反射镜组主要由光束转向元件(例如可以是转向镜和折光镜)和反射镜等光学元件构成，若光束转向元件为折光镜时，该反射镜组也可以称为折光镜组。以反射镜组110a为例，以折光镜为棱楔片为例，反射镜组包括：棱楔片111a和反射镜112a，其中四组反射镜110a、110b、110c和110d中的棱楔片和反射镜的参数或空间位置均不相同。
激光测距组件100a中的出射光束104a入射在反射镜组110a上，出射光束104a先经过棱楔片111a折射，折射后入射在反射镜112a上。经反射镜112a后的出射光束104a，入射在MEMS微振镜120上，MEMS微振镜120通过二维摆动实现光束扫描130a。经MEMS微振镜120改变方向后的出射光束104a打在目标物上，其回波光束105a沿原路径返回，再次经过MEMS微振镜120、反射镜112a、棱楔片11a和分光镜102a等光学元件后，最终被探测器103a接收。
4组激光测距组件100a、100b、100c和100d，与4组反射镜组110a、110b、110c和110d构成一对一关系，其出射光束104a、104b、104c和104d分别经过反射镜组110a、110b、110c和110d调制方向后，入射在MEMS微振镜120上，从而实现4组扫描光130a、130b、130c和130d在水平方向上进行角度拼接。为实现准确的角度拼接，折光镜组需要根据对应激光测距组件的位置和出光方向进行设计。
如图18所示，为本申请的具体实施例1，在底板200上放置5组激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e，反射镜组110a、110b、110c、110d和110e，一个MEMS微振镜120及支架121，其中5组激光测距组件和4组反射镜组构成一对一关系。定义激光测距组件的出射光束方向为Z方向，垂直于底板向上为Y方向，X方向满足右手法则。
以激光测距组件100a为例，其出射光束104a经过反射镜组110a，入射至MEMS微振镜120上。其余的激光测距组件100b、100c、100d和100e的出射光束路径与激光测距组件110a相似，其出射光束均经过各自对应的反射镜组110b、110c、110d和110e，入射在MEMS微振镜120上。反射镜组110a、110b、110c、110d和110e的作用是改变激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e的出射光方向，使其按指定的路径打在MEMS微振镜120，当MEMS微振镜120二维摆动时，以实现多激光测距组件的扫描角度拼接。当MEMS微振镜120的摆动角度为20*20°时，利用5组激光测距组件和5组反射镜组进行扫描角拼接，可实现100*20°的扫描角范围。
如图19所示，为本申请的一个具体实施例1的俯视图，激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e沿X轴平行且等间隔排布，使得组件所占的空间尺寸最小化。5组激光测距组件的出射光束分别经过反射镜组110a、110b、110c、110d和110e后，入射至MEMS微振镜120上。以激光测距组件100a的出射光束104a为例，出射光束104a在棱楔片111a上发生折射，棱楔片111a的作用是将出射光束104a向中心靠拢，以达到减小光路长度的效果。经过棱楔片111a后的出射光束104a打在反射镜112a上，反射镜112a的作用是改变出射光束104a的方向，使其入射在MEMS微振镜120上。反射镜组110b、110d和110e的功能特性与反射镜组100a一致，但中间的反射镜组110c与反射镜组110b、110d、110e、反射镜组100a是不相同的，即反射镜组100c中没有棱楔片，只有单一反射镜112c。若以折光镜组110c为中心，折光镜组110a和110b，与折光镜组110d和110e呈左右镜像关系。
在本实施例1中，在5组反射镜组100a、100b、100c、100d和100e中反射镜112a、112b、112c、112d和112e是必要的光学元件，用于分别将激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e的出射光束104a、104b、104c、104d和104e反射至MEMS微振镜120上，它能够实现光路折叠，大幅度缩短光路长度，如图19所示，300表示5个反射镜所在的直线。
为保证5组激光测距组件的扫描区域连续拼接，扫描图像不发生错位，要求经MEMS微振镜120后5组出射光束104a、104b、104c、104d和104e沿水平方向上(X轴)呈等角度分布，并在垂直方向上(Y轴)的出射角一致，在这一约束条件下5个反射镜112a、112b、112c、112d和112e需要沿X轴布置在一条直线上。以反射镜112c为中心，反射镜112a和112b，与反射镜112d和112e呈左右镜像关系，并且反射镜112a、112b、112c、112d和112e呈不等间隔排列，两侧靠外的反射镜112a和112b的间隔较大，靠近中心的反射镜112b与112c的间隔较小。改变反射镜112a、112b、112c、112d和112e的间隔、形状等参数，可改变入射至MEMS微振镜120上的光束角度，从而达到特定的扫描角度输出。
如图20所示，为本申请的一个具体实施例1的侧视图，以放置在中心的激光测距组件100c为例，其出射光束104c入射在反射镜112c上，1121c为反射镜112c的反射面。经反射面1121c后的出射光束104c光束指向MEMS微振镜120，1201为MEMS微振镜120的镜面。为保证光路不发生遮挡，MEMS微振镜120与激光测距组件110c、反射镜112c的有一定的高度差，因此需要将MEMS微振镜120放置在支架121上。在图20中YZ平面内，反射镜112c的反射面1121c与MEMS微振镜120的镜面1201相互平行，使得从激光测距组件100c的出射光束104c发生2次反射后，光束指向的角度不发生变化。
如图21所示，为本申请的一个具体实施例1的光路图，激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e的初始出射光束104a、104b、104c、104d和104e方向指向Z轴，平行于底板200，底板在XZ平面内。经反射镜组和MEMS微振镜反射后，5路出射光束104a、104b、104c、104d和104e在平面400内等角度出射，其中，相邻两路出射光束的角度间隔为15°，且平面400平行于底面200。在具体实施例1中，当MEMS微振镜的摆动角度为20*20°，使用5组激光测距组件和5组反射镜组，可实现100*20°的扫描范围。
如图22所示，为本申请的具体实施例2，在底板200上放置4组激光测距组件100a、100b、100c和100d，反射镜组110a、110b、110c和110d，一个MEMS微振镜120及支架121，其中MEMS微振镜120安置在支架121上，且每一个激光测距组件对应于一组反射镜组。定义激光测距组件的出射光束方向为X方向，垂直于底板向上为Y方向，Z方向满足右手法则。
以激光测距组件100a为例，其出射光束104a经过反射镜组110a，入射至MEMS微振镜120上。其余的激光测距组件100b、100c和100d的出射光束路径与激光测距组件110a相似，其出射光束均经过各自对应的反射镜组110b、110c和110d，入射在MEMS微振镜120上。反射镜组110a、110b、110c和110e的作用是改变激光测距组件的出射光方向，使其按指定的路径打在MEMS微振镜120，当MEMS微振镜120进行二维摆动时，可实现多激光测距组件的扫描角度拼接。MEMS微振镜在二维空间内进行摆动角度，例如MEMS微振镜在一个维度(例如水平方向)内的摆动角度为15°，MEMS微振镜在另一个维度(例如垂直方向)内的摆动角度为30°，则MEMS微振镜的摆动角度可以简写15*30°，利用4组激光测距组件和4组反射镜组进行扫描角拼接，可实现60*30°的扫描角范围，其中，60*30°表示在一个维度内的摆动角度为60°，在另一个维度内的摆动角度为30°。
如图23所示，为本申请的一个具体实施例2的俯视图，激光测距组件100a、100b、100c和100d沿X轴平行且等间隔排布，使得组件所占的空间尺寸实现最小化。4组激光测距组件的出射光束104a、104b、104c和104d分别经过反射镜组110a、110b、110c和110d后，入射至MEMS微振镜120上。以激光测距组件100c的出射光束104c为例，出射光束104c在转向镜111c上发生转向，从而改变激光测量模组的出光方向。经过转向镜111c后的出射光束104c打在反射镜112c上，反射镜112c将出射光束104c引导至MEMS微振镜120上，从而实现角度拼接。
与前述的实施例1相比，在实施例2中反射镜112a、112b、112c和112d分别将激光测距组件100a、100b、100c和100d的出射光束104a、104b、104c和104d反射至MEMS微振镜120上，能够实现光路折叠，大幅度缩短光路长度，如图23所示。同时，为保证4组激光测距组件的扫描区域连续拼接，扫描图像不发生错位，要求经MEMS微振镜120后4组出射光束104a、104b、104c和104d沿水平方向上(X轴)呈等角度分布，并在垂直方向上(Y轴)的出射角一致，在这一约束条件下4个反射镜112a、112b、112c和112d需要沿X轴布置在一条直线上。
以MEMS微振镜120为中心，反射镜112a和112b，与反射镜112d和112e呈左右镜像关系，并且反射镜112a、112b、112c、112d和112e呈不等间隔排列，两侧靠外的反射镜112a和112b的间隔较大，靠近中心的反射镜112b与112c的间隔较小。改变反射镜112a、112b、112c、112d和112e的间隔、形状等参数，可改变入射至MEMS微振镜120上的光束角度，从而达到特定的扫描角度输出。
如图24所示，为本申请的一个具体实施例2光路图，激光测距组件100a、100b、100c和100d的初始出射光束104a、104b、104c和104d方向指向Z轴，平行于底板200，底板在XZ平面内。4路出射光束经反射镜组和MEMS微振镜120反射后，4路出射光束104a、104b、104c和104d在平面400内等角度出射，其中，相邻两路出射光束的角度间隔为15°，且平面400平行于底面200。当MEMS微振镜摆动角度为15*30°，使用4组激光测距组件和4组反射镜组，可实现60*30°的扫描范围。
如图25所示，为本申请的具体实施例3，图25中包括5组激光测距组件100a、100b、100c、100d和100e，反射镜组110a、110b、110c、110d和110e，一个MEMS微振镜120。区别于实施例1，反射镜组中没有棱楔片，只有单一反射镜，但由于反射镜是不等间隔排列，相应的5组激光测距组件也是不等间隔排列，靠近MEMS微振镜120中心的激光测距组件100b、100c和100d的间距较小，两侧靠外的激光测距组件100a和100e间隔较大。
在本申请实施例中，在N组激光测距组件和单一MEMS微振镜中间设置了N组反射镜组，其中反射镜组包括棱楔片、反射镜等单个或多个光学元件。N组反射镜组与N组激光测距组件成一一对应，反射镜组可以将激光测距组件的出射光束传导至MEMS微振镜上，实现扫描角度的准确拼接，增大激光雷达的扫描角度。
本申请实施例中，在N个激光测距组件和单一MEMS微振镜中间加入N个反射镜组，反射镜组中包括至少一个反射镜，使得光路发生至少一次转折，可避免光路冗长，从而大幅度减少激光雷达的光机尺寸。每一个激光测距组件对应于一个独立的反射镜组，在激光雷达研制中可固定激光测距组件，仅通过改变反射镜组的参数设计，来改变激光雷达的扫描角度和出光方向等属性，灵活的光路架构可以在不改变组件和电路板的前提下，丰富MEMS激光雷达的产品外观和安装方式，提升了其应用扩展性。另外，本申请实施例中，激光测距组件固定不变，仅通过无源的反射镜组实施光路调校，有利于提升光路调测效率和稳定性。
另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过硬件、固件或者其任意组合来实现上述的激光测量模组和激光雷达。

Claims (21)

1.一种激光测量模组，其特征在于，所述激光测量模组包括：N个激光测距组件、反射镜和微机电系统MEMS微振镜，所述N为大于或等于2的正整数，其中，
所述N个激光测距组件，用于将出射光束入射到所述反射镜上；
所述反射镜，用于对所述出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到所述MEMS微振镜上，其中，所述N个激光测距组件所在的平面，和所述MEMS微振镜的外框底面所在的平面为不同的平面，以使得所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜分层放置；
所述MEMS微振镜，用于改变所述出射光束的方向，实现二维扫描；还用于改变回波光束的方向，将所述回波光束入射到所述反射镜上，其中，所述回波光束为所述出射光束入射到目标物上反射的光束；其中，所述MEMS微振镜的垂直倾斜角β大于或等于5度，且小于或等于45度；
所述反射镜，还用于对所述回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到所述N个激光测距组件中；所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α，与所述MEMS微振镜的垂直倾斜角β、所述MEMS微振镜的垂直摆幅角ω之间满足如下关系：
α≥ε(2β+ω)，
其中，ε是所述反射镜和所述MEMS微振镜的安装误差因子；
所述N个激光测距组件，还用于接收所述回波光束。
2.根据权利要求1所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜位于所述反射镜的同一侧；
所述N个激光测距组件以所述MEMS微振镜为中心，在所述MEMS微振镜的左右两侧呈对称分布。
3.根据权利要求1所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件中相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ、所述MEMS微振镜的水平摆幅角χ之间满足如下关系：
θ≤2χ。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，所述激光测距组件的个数N，与所述激光测量模组的水平扫描角
Figure FDA0003637577040000012
所述MEMS微振镜的水平摆幅角χ、相邻两个激光测距组件的出射光束在水平面上的夹角θ之间满足如下关系：
Figure FDA0003637577040000011
5.根据权利要求1至3中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件中每个激光测距组件在所述反射镜上的入射光束和出射光束在垂直平面上的夹角α都相等；
所述α大于或等于10度，且小于或等于50度。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，所述反射镜的个数为M，所述M为正整数；
当所述N等于所述M时，所述激光测距组件和所述反射镜为一一对应关系。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，所述反射镜的个数为M，所述M为正整数；
当所述N大于所述M时，所述N个激光测距组件中至少两个激光测距组件对应于同一个反射镜。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件中的每个激光测距组件包括：激光器、分光镜、探测器；
所述激光器，用于产生出射光束，所述出射光束通过所述分光镜入射在所述反射镜上；
所述分光镜，用于接收由所述反射镜入射的回波光束，并将所述回波光束入射到所述探测器中；
所述探测器，用于接收所述回波光束，并根据所述出射光束和所述回波光束的时间差进行测距。
9.根据权利要求8所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜，分别和数据处理电路相连接。
10.根据权利要求1所述的激光测量模组，其特征在于，所述激光测量模组包括：N个所述反射镜；
所述N个激光测距组件和N个所述反射镜一一对应；
所述N个激光测距组件中每个激光测距组件的出射光束入射到N个所述反射镜中相应的所述反射镜；
N个所述反射镜中的每个所述反射镜，用于对相应的激光测距组件的出射光束进行光路转折，并将转折后的出射光束入射到所述MEMS微振镜上；还用于对所述MEMS微振镜发送的回波光束进行光路转折，并将转折后的回波光束入射到相应的激光测距组件中。
11.根据权利要求10所述的激光测量模组，其特征在于，所述激光测量模组还包括：N个光束转向元件；
所述N个光束转向元件与N个所述反射镜一一对应；
所述N个激光测距组件中每个激光测距组件通过相应的所述光束转向元件，将出射光束入射到相应的所述反射镜。
12.根据权利要求11所述的激光测量模组，其特征在于，所述光束转向元件为转向镜。
13.根据权利要求10所述的激光测量模组，其特征在于，所述激光测量模组还包括：光束转向元件；
所述光束转向元件，用于对所述激光测距组件的出射光束进行折射，并将折射后的出射光束入射到对应的所述反射镜；
所述光束转向元件，还用于将所述反射镜发送的回波光束入射到对应的所述激光测距组件中。
14.根据权利要求13所述的激光测量模组，其特征在于，所述光束转向元件为折光镜。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，
N个所述反射镜位于同一条直线上，当所述N为大于或等于5的奇数时，以第(N+1)/2个所述反射镜为中心；
若i为大于2且小于或等于(N+1)/2的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；
若i为大于(N+1)/2且小于或等于N的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距不大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
16.根据权利要求10至14中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，
N个所述反射镜位于同一条直线上，当所述N为大于或等于6的偶数时，以第N/2个所述反射镜和第N/2+1个所述反射镜之间的中点为中心；
若i为大于2且小于或等于N/2的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距大于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距；
若i为大于N/2且小于或等于N的整数，所述N个反射镜中的第(i-2)个反射镜和第(i-1)个反射镜之间的间距小于第(i-1)个反射镜和第i个反射镜之间的间距。
17.根据权利要求10至14中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，N个所述反射镜中的第i个所述反射镜的镜面法向与第i个所述反射镜的出射光束之间的夹角，等于N个所述反射镜中的第(i+1)个所述反射镜的镜面法向与所述第(i+1)个所述反射镜的出射光束之间的夹角；
其中，所述i为小于或等于N的正整数。
18.根据权利要求10至14中任一项所述的激光测量模组，其特征在于，
所述MEMS微振镜，用于分别接收到N个所述反射镜发送的出射光束，并对N个所述反射镜分别发送的出射光束进行方向改变，将N个所述反射镜分别对应的出射光束发送出去，实现二维扫描；
其中，所述MEMS微振镜发送出去的N个出射光束中相邻两个出射光束之间的夹角相等。
19.根据权利要求8所述的激光测量模组，其特征在于，所述N个激光测距组件相互平行。
20.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达，包括：如权利要求1至19中任一项所述的激光测量模组，以及数据处理电路；
所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜，分别与所述数据处理电路相连接；
所述数据处理电路，用于分别从所述N个激光测距组件和所述MEMS微振镜获取到数据，并进行数据处理。
21.根据权利要求20所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达，还包括：底板、支架、连接杆，其中，
所述N个激光测距组件、所述反射镜、所述MEMS微振镜位于所述底板的同一侧上；
所述支架位于所述底板上，所述MEMS微振镜位于所述支架上；
所述连接杆的两端分别连接所述底板和所述数据处理电路，所述连接杆用于支撑所述数据处理电路。
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