CN112612014A - 一种高效能mems激光雷达接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种高效能MEMS激光雷达接收系统。解决由于MEMS微振镜尺寸小，导致MEMS激光雷达测距能力不够的问题，包括异型聚光镜、MEMS微振镜、准直透镜、后聚光透镜以及光电探测器；异型聚光镜与MEMS微振镜的中心处于同一直线上，且光轴呈一定的角度；MEMS微振镜、准直透镜、后聚光透镜、光学探测器的中心处于同一直线上，且同光轴设置；异型聚光镜用于将经目标反射的大面积反射光束在子午和/或弧矢方向聚焦；MEMS微振镜用于将异型聚光镜聚焦后的线光束或点阵光束反射至准直透镜；准直透镜用于将MEMS微振镜的反射光束在子午和弧矢方向的至少一个方向上进行光束准直；后聚光透镜用于将准直透镜准直后的平行光束会聚在光电探测器。

Description

一种高效能MEMS激光雷达接收系统

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种MEMS激光雷达接收系统。

背景技术

激光雷达通过向目标区域发射激光光束，并接收经目标区域反射的激光光束，根据发射与接收的激光光束的飞行时间，获取探测目标的距离、速度、方位等相关信息。因高空间分辨率、高灵敏度、强抗干扰能力、小体积和轻重量等优势，在精确制导、目标识别等领域获得了迅速发展。

MEMS激光雷达是采用MEMS微振镜在微观尺寸上操纵光束的激光探测和测距系统。其核心器件是MEMS微振镜。MEMS微振镜是一种综合了光学、电子、机械技术于一身的微机电系统。具有体积小、能耗低、响应速度快及集成度高等优势，但MEMS微振镜的有效镜面尺寸较小，接收反射光束有限，大大降低了MEMS激光雷达的测距能力，限制了其应用范围。为了解决这一问题，目前常规的处理方法有：增加大尺寸的扩束镜，如中国专利CN110275177A，《固态激光雷达、结构及其控制方法》；增加反射镜阵列，如中国专利CN210690806U，《激光雷达接收系统》或增加MEMS微振镜的数量等方法来解决。但目前的处理方法还存在以下问题：第一，硬件器件(MEMS微振镜或反射镜)数量增加，导致成本大幅度提升，光路调试难度大，不利用激光雷达的广泛推广。第二，增加大尺寸扩束镜，光学系统复杂、且扩束能力有限(一般不超过3倍)。基于以上问题，因此有必要提出一种新型的高效能MEMS激光雷达光学接收系统。

发明内容

为了解决由于MEMS微振镜尺寸小，导致MEMS激光雷达测距能力不够的问题，同时克服传统MEMS激光雷达增大接收光束面积方案的局限性，本发明提供了一种高效能MEMS激光雷达接收系统。对于进一步扩展MEMS激光雷达的应用范围有深远的意义。

本发明的技术方案是提供一种高效能MEMS激光雷达接收系统，其特殊之处在于：包括依次设置在接收光路中的异型聚光镜、MEMS微振镜、准直透镜、后聚光透镜以及光电探测器；异型聚光镜与MEMS微振镜的中心处于同一直线上，且光轴呈一定的角度；MEMS微振镜、准直透镜、后聚光透镜、光学探测器的中心处于同一直线上，且同光轴设置；

所述异型聚光镜用于将经目标反射的大面积反射光束在子午和/或弧矢方向聚焦，形成线光束或点阵光束；

所述MEMS微振镜用于将异型聚光镜聚焦后的线光束或点阵光束反射至准直透镜；

所述准直透镜用于将MEMS微振镜的反射光束在子午和弧矢方向的至少一个方向上进行光束准直，形成一束平行光束；

所述后聚光透镜用于将准直透镜准直后的平行光束会聚在光电探测器。

进一步地，为了将经目标反射的大面积反射光束在子午方向聚焦，所述异型聚光镜为弧形聚光透镜，将经目标反射的大面积反射光束在子午方向聚焦，弧矢方向平移，形成线光束。

进一步地，所述准直透镜为柱面透镜，在子午方向将经MEMS微振镜的反射光束进行准直且不改变弧矢方向光束的传播。

进一步地，所述弧形聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

其中l'是弧形聚光透镜与MEMS微振镜之间的距离，f为弧形聚光透镜的焦距，n为弧形聚光透镜的折射率。

进一步地，为了在全扫描视场范围的均可增大反射光束的接收面积，所述弧形聚光透镜的弧形扫描角度θ＝2β，其中β为MEMS微振镜的机械转角。

进一步地，为了实现更大反射光束的接收，实现激光雷达的更远距离探测，所述异型聚光镜由单片弧形聚光透镜或由多片弧形聚光透镜拼接而成。

进一步地，为了有效地会聚反射光束，减少光学聚光镜片的数量以及提高整个MEMS接收系统的能量效率，所述后聚光透镜为单片非球面透镜，固定在安装套筒中，与光学探测器通过底座配合。

进一步地，为了在全扫描范围内，经过异型聚光的反射光束均可经后聚光透镜被光电探测器高效地接收，所述异型聚光镜与MEMS微振镜的光轴之间的夹角为30-60度之间的任意角度。

进一步地，为了将经目标反射的大面积反射光束在子午和弧矢方向同时聚焦，所述异型聚光镜为一面型上设有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，将经目标反射的大面积反射光束在子午和弧矢方向同时聚焦，形成点阵光束，其中N为大于等于2的正整数。

进一步地，所述准直透镜为球面或者非球面圆形透镜，将经MEMS微振镜的反射光束进行准直形成一束平行光束。

进一步地，为了能更高效地接收子午和弧矢方向的大面积反射光束，所述微聚焦光学结构为微聚光透镜，N个微聚光透镜均匀排布在弧形曲面基底上，形成弧形聚光透镜。

进一步地，为了便于透镜加工、提升微聚焦光学结构的聚光能力，所述微聚光透镜的前表面为球面或者非球面，球面或者非球面微聚光透镜的焦距l₁，l₂......l_N满足：

其中R是弧形曲面基底的半径，θ为第i片微聚焦透镜与弧形曲面基底的轴线夹角；l₁为第一片微聚焦透镜的焦距，可根据第一片微聚焦透镜与MEMS振镜的间距获得，第一片微聚焦透镜的光轴与弧形曲面基底的光轴重合，i为2至N的正整数；

各个微聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

n'为各个微聚光透镜的折射率，j为1至N的正整数。

进一步地，为了在全扫描视场范围的均可增大回波光束的接收面积，弧形聚光透镜的弧形扫描角度θ＝2β，其中β为MEMS微振镜的机械转角。

本发明的有益效果是：

1、本发明MEMS激光雷达接收系统中，包含异型聚光装置，其中异型聚光装置为异型聚光透镜。异型聚光透镜在子午方向(包括目标点和光轴的接收光束方向)和/或弧矢方向(包含光轴且与子午方向垂直的接收光束方向)聚焦，形成线光束或点阵光束；在子午和弧矢的一个或者多个方向，异型聚光透镜能会聚大面积反射光束，当异型聚光镜尺寸≥16mm时，单片接收效率为单MEMS微振镜接收效率的6倍以上(该数据根据下述的激光雷达距离公式，

得出)，远远高于目前已有方案的接收效率。异型聚光透镜在弧矢方向和/或子午方向配合MEMS微振镜进行扫描，实现MEMS激光雷达在不同扫描角度下均可接收相同面积的反射光束，保证了MEMS激光雷达在整个扫描范围内均可实现高效能接收。与目前常规的处理方法相比，异型聚光透镜结构简单、成本低廉且调试简单。可在一个和/或多个方向会聚回波光束，与单MEMS振镜相比，增加了回波光束接收面积，提高了MEMS激光雷达的接收效率，对激光雷达的低成本推广和远距离、高效率探测具有深远的意义。

2、本发明异型聚光透镜可以为弧形聚光透镜，该弧形聚光透镜子午方向或弧矢方向的一个方向曲率可以为0，光线在此方向传播，异型聚光镜相当于平行平板，光线只发生平移。在另一方向具有一定曲率。光线在此方向传播，异型聚光透镜等价于正透镜，光线发生会聚。配合MEMS微振镜在不同扫描角度下，子午方向可接收相同面积的光束，弧矢方向则不改变MEMS振镜的接收面积，从而提升了MEMS激光雷达在整个扫描视场范围内的接收效率。此类弧形聚光透镜结构简单，易于加工，可采用单片或者多片设计。

3、本发明异型聚光透镜还可以是面型上有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，可在子午方向和弧矢方向同时会聚反射光束，将入射的反射光束聚焦为N个会聚点进入MEMS微振镜，同时扩大了反射光束在子午方向和弧矢方向的接收面积，提升MEMS激光雷达的探测能力。

附图说明

图1为高效能MEMS激光雷达接收系统结构示意图。

图2为高效能MEMS激光雷达接收系统光路示意图，其中a为弧矢方向(子午方向)接收示意图，b为子午方向(弧矢方向)接收示意图。

图3为实施例一中的高效能MEMS激光雷达接收系统，其中a为子午方向接收示意图，b为弧矢方向接收示意图。

图中，1-异型聚光镜，2-MEMS微振镜，3-准直透镜，4-后聚光透镜，5-光电探测器。

图4为异型聚光镜扩大接收能量原理图。

图5为一种异型(弧形)聚光镜。

图6为实施例二中的高效能MEMS激光雷达接收系统。

图中，1-异型聚光镜，2-MEMS微振镜，3-准直透镜，4-后聚光透镜，5-光电探测器。

图7为微聚焦异型聚光透镜。

图8为微聚焦异型聚光透镜原理图。

图9为微聚焦异型聚光透镜剖面原理图。

图中，01-第一片微聚光透镜，02-第二片微聚光透镜，03-第三片微聚光透镜，04-第四片微聚光透镜，05-第五片微聚光透镜，06-第六片微聚光透镜，07-第一片微聚光透镜的焦点。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

如图1及图2所示，本发明高效能MEMS激光雷达接收系统，包括依次设置的异型聚光装置、MEMS微振镜、准直装置及接收装置。其中异型聚光装置用于将经目标反射的大面积反射光束在子午和/或弧矢方向聚焦，形成线光束或点阵光束，常选用PMMA、COC等光学塑料、光学玻璃以及其它易于成型的光学材质。MEMS微振镜具有一定机械转动角度，在MEMS微振镜驱动电路的控制下进行角度摆动形成激光扫描面。准直装置为准直透镜，至少可在子午方向或者弧矢方向的任一个方向会聚光束。可以为一个或多个柱面透镜、球面或者非球面透镜。光学接收装置包括后会聚透镜组和光学探测器。其中后会聚透镜组为单片或多片球面、非球面透镜，可将光线会聚进入光学探测器。光学探测器可以为：APD(雪崩二极管)、光电倍增管等光学探测器件。激光器发射激光探测目标，经目标反射的激光光束在异型聚光装置的一个或多个方向聚焦，聚焦成线光束或者点阵光束进入MEMS微振镜。经MEMS微振镜反射后进入准直装置，准直装置在子午和弧矢方向的至少一个方向上进行光束准直，形成一束平行光束。平行光束经光学接收装置的后准直透镜组最终会聚在光学接收装置的光学探测器上。

实施例一

如图3所示，为本实施例的MEMS激光雷达接收系统，包括异型聚光镜1、MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4以及光电探测器5。异型聚光镜1与MEMS微振镜2的中心处于同一水平线上，且光轴呈一定的角度，此角度为MEMS微振镜2的起始角度。此角度可以是30-60度的任意角度。MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4、光学探测器5的中心处于同一直线上。

其中异型聚光镜1为一弧形聚光透镜，可在子午方向会聚反射光束，弧矢方向平移反射光束，形成一束线激光束进入MEMS微振镜2。

由于大面积反射光束在子午方向被异型聚光镜1会聚到MEMS微振镜2，从而增大MEMS微振镜2在子午方向的接收面积，提升MEMS激光雷达的探测能力。反射光束在弧矢方向被异型聚光镜1平移入射MEMS微振镜2，因此，在弧矢方向不改变MEMS微振镜2的接收面积。

异型聚光镜1呈弧形设计，配合MEMS微振镜2在不同扫描角度下，子午方向可接收相同面积的光束，弧矢方向则不改变MEMS振镜的接收面积，从而提升了MEMS激光雷达在整个扫描视场范围内的接收效率。

其中，准直透镜3为柱面透镜，在子午方向可将经MEMS微振镜2反射的光束进行准直且不改变弧矢方向光束的传播。后聚光透镜4为单片非球面透镜、后聚光透镜4固定在安装套筒中，与光学探测器5通过底座配合。对于光学探测器5来说，可以但不仅限于APD(雪崩光电二极管)，如还可以是光电倍增管等其它光学接收器件。

激光器发射的激光光束经目标反射后入射至异型聚光透镜1，经异型聚光镜1会聚形成一线型光束进入MEMS微振镜2的光学区域。随后经MEMS微振镜反射后入射至准直透镜3后形成一平行光束。平行光束入射至后聚光透镜4，二次会聚到光学探测器5。

根据激光雷达探测距离方程：

式中：P_s为激光雷达接收到的回波信号功率；P_i为激光雷达发射的激光脉冲峰值功率；S为激光雷达有效接收面积；R为目标与激光雷达之间的距离；η_sys为激光雷达系统参数；η_atm为信号在大气传输过程中的影响因子；根据这个公式我们可以得到，在同一环境下进行测试时，激光雷达的回波能量只和激光雷达的有效接收面积S以及目标与激光雷达之间的距离R有关，其余影响因子可以认为是一个定值，因此雷达传输方程可以简化为：

在同一探测距离R下，假定MEMS微振镜2接收光束的面积为S₁，异型聚光镜1接收光束面积为S₂。则含异型聚光镜的MEMS激光雷达的接收功率P₂和单微振镜的MEMS激光雷达接收功率P₁的比值为：

因此，可根据需求和实际情况，通过调整异型聚光镜1的结构尺寸(长度、宽度)改变接收光学面积，从而提升MEMS激光雷达的接收功率，对应原理图如4所示。

举例说明：单MEMS微振镜的光学有效面的直径为3mm，异型聚光镜子午面高度为16mm，弧矢面宽度为MEMS微振镜可接收宽度，为3mm。对于同一距离的接收目标，其接收功率比值为：

即：当子午面高度为16mm时，可接收能量为单微振镜MEMS激光雷达接收能量的6.8倍。

此外MEMS激光雷达的扫描角度θ与MEMS微振镜2的机械转角β存在以下关系：

θ＝2β

本发明中提到的MEMS微振镜2可以是一维或二维MEMS微振镜，其扫描范围根据MEMS微振镜的转动角度，可以在30-360度任何范围。

所有光学器件的位置并不局限于上述内容的一种，位置的偏转和角度的大小也不局限于所述的偏转和角度大小。

图5为一种异型弧形聚光镜，主要光学参数为前曲率半径R₁、后曲率半径R₂，宽度L和弧形扫描角度θ。前曲率半径R₁与后曲率半径R₂可根据公式：

推导得出(由高斯公式变形得出)。其中l'是异型聚光镜与MEMS振镜之间的距离。f为异型聚光镜的焦距。n为异型聚光镜的折射率，取值范围为1.4-1.9。宽度L为激光雷达的第一接收面，根激光雷达距离公式可知，L值越大，返回的反射光束越多，得到信号越强。根据不同接收效率的要求，可对异性聚光装置的表面曲率、长度和宽度等结构参数做出修改。

实施例二

如图6所示，为本实施例的高效能MEMS激光雷达接收系统。其接收系统包括异型聚光镜1、MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4以及光学探测器5。

异型聚光镜1与MEMS微振镜2的中心处于同一水平线上，且光轴呈一定的角度，此角度为MEMS起始角度。此角度可以是30-60度的任意角度。MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4、光电探测器5的中心处于同一直线上。其中异型聚光镜1为一面型上有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，可在子午方向和弧矢方向同时会聚反射光束，将入射的反射光束聚焦为N个会聚点进入MEMS微振镜2，同时扩大了反射光束在子午方向和弧矢方向的接收面积，提升MEMS激光雷达的探测能力。异型聚光镜1呈弧形设计，配合MEMS微振镜的不同扫描角度，在子午和弧矢方向同时实现瞬时接收相同面积光束，从而提升了MEMS激光雷达在整个扫描视场范围内的接收效率。其中，准直透镜3为球面或者非球面圆形透镜，可将经MEMS微振镜2反射的光束进行准直形成一束平行光束。平行光束入射后聚光透镜4最终聚焦在光学探测器5上。后聚光透镜4为单片非球面透镜。后聚光透镜4固定在安装套筒中，与光学探测器5通过底座配合。对于光学探测器5来说，可以但不仅限于APD(雪崩光电二极管)。激光器发射的激光光束经目标反射后入射异型聚光透镜1，经异型聚光镜1会聚形成N个聚焦点入射MEMS微振镜的光学区域。随后反射进入准直透镜3后形成一平行光束。平行光束入射后聚光透镜4，二次会聚到光学探测器5。

图7为面型上有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，此处微聚焦光学结构指的是微聚光透镜，N个微聚光透镜均匀排布在一弧形曲面基底上。微聚光透镜的前表面可以是球面、非球面等。

如图9所示，球面、非球面微聚光透镜的焦距l₁，l₂......l_N满足：

其中R是弧形曲面基底的半径，θ为第i片微聚焦透镜与弧形曲面基底的轴线夹角；l₁为第一片微聚焦透镜01的焦距，第一片微聚焦透镜01的光轴与弧形曲面基底的光轴重合，i为2至N的正整数；

根据上述公式可分别计算出微聚焦透镜1，2......N的焦距l₁，l₂，l₃，l₄......l_N。各个微聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

n'为各个微聚光透镜的折射率，j为1至N的正整数。

N个微聚光透镜将视场分割为N份。每一份微透镜构成一个能量通道。微聚光透镜阵列分别对各微视场的子午和弧矢反射光束进行接收，从而实现在接收角度内对反射光束进行接收。各个微聚光透镜的曲率半径R₁、R₂和焦距可以不同也可以相同。各个微聚焦透镜的焦距值随着微聚焦透镜和曲面基底轴线之间的距离增大而减小，这样可保证反射光束经微聚焦异型聚光镜可会聚在MEMS振镜上。

图8为微结构异型聚光透镜原理图。其中S1为单MEMS微振镜2接收面积。S2为微结构异型聚光透镜1接收面积。从图可见，S2大于S1的面积。根据激光雷达的距离公式，可知激光雷达的接收功率为单MEMS振镜的S2/S1倍。同时S2的前表面在子午和弧矢方向均具有一定曲率，可对回波光束进行会聚。因此，可通过调节S2的大小、前后表面的曲率半径，提升雷达的接收效率。

Claims (13)

1.一种高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：包括依次设置在接收光路中的异型聚光镜(1)、MEMS微振镜(2)、准直透镜(3)、后聚光透镜(4)以及光电探测器(5)；异型聚光镜(1)与MEMS微振镜(2)的中心处于同一直线上，且光轴呈一定的角度；MEMS微振镜(2)、准直透镜(3)、后聚光透镜(4)、光学探测器(5)的中心处于同一直线上，且同光轴设置；

所述异型聚光镜(1)用于将经目标反射的大面积反射光束在子午和/或弧矢方向聚焦，形成线光束或点阵光束；

所述MEMS微振镜(2)用于将异型聚光镜(1)聚焦后的线光束或点阵光束反射至准直透镜(3)；

所述准直透镜(3)用于将MEMS微振镜(2)的反射光束在子午和弧矢方向的至少一个方向上进行光束准直，形成一束平行光束；

所述后聚光透镜(4)用于将准直透镜(3)准直后的平行光束会聚在光电探测器(5)。

2.根据权利要求1所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述异型聚光镜(1)为弧形聚光透镜，将经目标反射的大面积反射光束在子午方向聚焦，弧矢方向平移，形成线光束。

3.根据权利要求2所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述准直透镜(3)为柱面透镜，在子午方向将经MEMS微振镜(2)的反射光束进行准直且不改变弧矢方向光束的传播。

4.根据权利要求1-3任一所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述弧形聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

其中l'是弧形聚光透镜与MEMS微振镜(2)之间的距离，f为弧形聚光透镜的焦距，n为弧形聚光透镜的折射率。

5.根据权利要求4所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述弧形聚光透镜的弧形扫描角度θ＝2β，其中β为MEMS微振镜(2)的机械转角。

6.根据权利要求5所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述异型聚光镜(1)由单片弧形聚光透镜或由多片弧形聚光透镜拼接而成。

7.根据权利要求5所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述后聚光透镜(4)为单片非球面透镜，固定在安装套筒中，与光学探测器(5)通过底座配合。

8.根据权利要求7所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述异型聚光镜(1)与MEMS微振镜(2)的光轴之间的夹角为30-60度之间的任意角度。

9.根据权利要求1所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述异型聚光镜(1)为一面型上设有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，将经目标反射的大面积反射光束在子午和弧矢方向同时聚焦，形成点阵光束，其中N为大于等于2的正整数。

10.根据权利要求9所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述准直透镜(3)为球面或者非球面圆形透镜，将经MEMS微振镜(2)的反射光束进行准直形成一束平行光束。

11.根据权利要求10所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述微聚焦光学结构为微聚光透镜，N个微聚光透镜均匀排布在弧形曲面基底上，形成弧形聚光透镜。

12.根据权利要求9-11任一所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：所述微聚光透镜的前表面为球面或者非球面，球面或者非球面微聚光透镜的焦距l₁，l₂......l_N满足：

其中R是弧形曲面基底的半径，θ为第i片微聚焦透镜与弧形曲面基底的轴线夹角；l₁为第一片微聚焦透镜的焦距，第一片微聚焦透镜的光轴与弧形曲面基底的光轴重合，i为2至N的正整数；

各个微聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

n'为各个微聚光透镜的折射率，j为1至N的正整数。

13.根据权利要求12所述的高效能MEMS激光雷达接收系统，其特征在于：弧形聚光透镜的弧形扫描角度θ＝2β，其中β为MEMS微振镜(2)的机械转角。

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