CN112799033A - 一种大视场扫描mems激光雷达装置及扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场扫描MEMS激光雷达装置及扫描系统，大视场扫描MEMS激光雷达装置包括底板、光纤激光器、准直镜、MEMS微振镜、振镜控制板、扫描镜组、大视场接收镜组、光电探测器及系统控制板，利用光纤激光器代替传统的半导体激光二极管作为光源以提高种子光的光束质量，同时在出射激光处加以准直镜组模块可获得较好的准直光，本方案光纤激光器和准直镜均可快速封装模块化，调节机构稳定简单，为后续装调提供便利条件；其次，在通过MEMS镜片后，加以视场扩展扫描镜组以提高系统扫描范围，设计简单，结构微调便捷，从而提高产品适应性增加系统应用场景。

Description

一种大视场扫描MEMS激光雷达装置及扫描系统
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其是一种大视场扫描MEMS激光雷达装置及扫描系统。
背景技术
激光雷达通过光束扫描和同步距离测量获取成像的点云数据，从而重建三维场景，为目标识别提供三维信息。目前，阻碍激光雷达全面推广的主要原因在于激光雷达的体积、质量以及价格，雷达的体积、质量限制了它的应用场合，而价格则阻碍了它的全面普及。随着大规模集成技术的发展，激光雷达也不断向小型化、低功耗、低成本的方向不断发展。
光束扫描是三维成像激光雷达设计中的核心环节。针对不同应用领域对激光雷达提出的要求，各种光束扫描技术应运而生。各种光束扫描技术的出现推动了三维成像激光雷达系统的变革，定义了全新的激光雷达系统。MEMS微镜是近年来提出的新型的扫描器件，因其具有体积小、能耗低、响应速度快、集成度高等优势，受到了广泛关注。MEMS微镜的出现，解决了传统机械扫描体积大和质量大的问题，而且在扫描过程中可以进行精确控制，但是MEMS微镜的有效镜面尺寸较小，且扫描角度有限，这很大的限制了其应用范围，为扫描激光雷达的准直发射光学设计带来很大的挑战。但是MEMS微镜可以用于高速扫描的场合，可以进行批量生产，具有成本低、体积小等显著优点。MEMS微镜的引入将极大推动激光雷达向微型化、低功耗、低成本的方向发展，利用MEMS微镜的扫描成像激光雷达具有良好的发展前景，有利于全面推广和普及激光雷达。
由于MEMS激光雷达有效扫描镜面尺寸较小，且扫描角度有限，从而限制了其应用范围，传统方案采用半导体激光二极管作为光源发散角大，且快轴和慢轴相差较大，从而为MEMS激光雷达准直发射光学设计带来极大挑战。目前相关报道的也有提出的准直设计方案，然而其多数为理论设计，系统复杂加工困难，或者实现简单而准直精度较差，为有效解决上述问题，本发明提出了一种新型MEMS激光雷达的技术方案以满足系统准直扫描要求。同时现有MEMS微镜光束扫描角度范围为±30°，由于光学系统中透镜等元件的口径对光束扫描角有一定限制。
发明内容
针对上述技术问题本发明提出了一种大视场扫描MEMS激光雷达装置及扫描系统，利用光纤激光器代替传统的半导体激光二极管作为光源以提高种子光的光束质量，同时在出射激光处加以准直镜组模块可获得较好的准直光，本方案光纤激光器和准直镜均可快速封装模块化，调节机构稳定简单，为后续装调提供便利条件；其次，在通过MEMS镜片后，加以视场扩展扫描镜组以提高系统扫描范围，设计简单，结构微调便捷，从而提高产品适应性增加系统应用场景。
一种大视场扫描MEMS激光雷达装置，包括底板、光纤激光器、准直镜、MEMS微振镜、振镜控制板、扫描镜组、大视场接收镜组、光电探测器及系统控制板，所述准直镜、MEMS微振镜、扫描镜组及大视场接收镜组均通过调节机构固定在底板上，所述光纤激光器、准直镜及MEMS微振镜位于一条直线上，所述扫描组镜正对于MEMS微振镜反射路径设置，所述大视场接收镜组平行于扫描镜组设置,大视场接收镜组与扫描镜组之间固定有遮挡板，所述光电探测器安装在大视场接收镜组的等效焦面上，所述系统控制板正对于大视场接收镜组设置，所述MEMS微振镜与振镜控制板电性连接，所述振镜控制板、光纤激光器及光电探测器均与系统控制板电性连接。
作为上述技术方案的优选，用于固定MEMS微振镜的调节机构为三点调平式结构，包括底座、上固定座、固定螺钉及三组调平螺钉，所述底座与上固定座通过固定螺钉固定连接，三组所述调平螺钉均布于上固定座上，所述调平螺钉的端部抵靠在底座上，所述底座固定在底板上，MEMS振镜安装在上固定座顶部。
作为上述技术方案的优选，底板上位于光纤激光器的一侧还固定有光纤支撑架。
作为上述技术方案的优选，所述大视场接收镜组的镜片上镀增透膜。
一种采用上述大视场扫描MEMS激光雷达装置的扫描系统，扫描系统的扫描流程如下：
步骤S1,系统控制板触发信号，光纤激光器接收信号后发射激光，光纤激光器发出的激光经过准直镜准直后达到MEMS微振镜；
步骤S2，系统控制板同步发射信号给振镜控制板，振镜控制板对MEMS微振镜进行参数设置，使经过MEMS微振镜反射至扫描组镜的激光经过扫描组镜发散后能够顺利进入目标环境进行扫描；
步骤S3,激光经过目标环境扫描后反射至大视场接收镜组，再经过光电探测器放大处理后反馈给系统控制板；
步骤S4,系统控制板对步骤S3中的接收的数据进行处理，将当前目标物位置转换为空间坐标点；
步骤S5，系统控制板持续输出信号，不断重复步骤S1-S4，MEMS微振镜不断调整激光的发射角度，实现整个视场内目标环境的扫描和数据采集工作，并完成整个视场的三维建模。
作为上述技术方案的优选，所述光纤激光器发射激光的波长选用905nm或1550nm。
作为上述技术方案的优选，激光经过准直镜准直后的光束发散角小于5μrad，光斑直径小于5mm。
作为上述技术方案的优选，在步骤S1中，振镜控制板对MEMS微振镜进行扫描频率和扫描角度设置。
作为上述技术方案的优选，在步骤S3中，光电探测器还对光纤激光器发射激光的回波信号进行高效探测。
本发明的有益效果在于：
利用光纤激光器代替传统的半导体激光二极管作为光源以提高种子光的光束质量，同时在出射激光处加以准直镜组模块可获得较好的准直光，本方案光纤激光器和准直镜均可快速封装模块化，调节机构稳定简单，为后续装调提供便利条件；其次，在通过MEMS镜片后，加以视场扩展扫描镜组以提高系统扫描范围，设计简单，结构微调便捷，从而提高产品适应性增加系统应用场景。
附图说明
图1和图2为本发明的结构示意图。
图3为用于固定MEMS微振镜的调节机构的结构示意图。
附图标记如下：1-底板、2-光纤激光器、3-准直镜、4-MEMS微振镜、5-振镜控制板、6-扫描镜组、7-大视场接收镜组、8-光电探测器、9-系统控制板、10-调节机构、11-遮挡板、12-底座、13-上固定座、14-固定螺钉、15-调平螺钉、16-光纤支撑架。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示的一种大视场扫描MEMS激光雷达装置，包括底板1、光纤激光器2、准直镜3、MEMS微振镜4、振镜控制板5、扫描镜组6、大视场接收镜组7、光电探测器8及系统控制板9，所述准直镜3、MEMS微振镜4、扫描镜组6及大视场接收镜组7均通过调节机构10固定在底板1上，所述光纤激光器2、准直镜3及MEMS微振镜4位于一条直线上，所述扫描组镜6正对于MEMS微振镜4反射路径设置，所述大视场接收镜组7平行于扫描镜组6设置,大视场接收镜组7与扫描镜组6之间固定有遮挡板11，所述光电探测器8安装在大视场接收镜组7的等效焦面上，所述系统控制板9正对于大视场接收镜组7设置，所述MEMS微振镜4与振镜控制板5电性连接，所述振镜控制板5、光纤激光器2及光电探测器8均与系统控制板9电性连接。
在本实施例中，用于固定MEMS微振镜4的调节机构为三点调平式结构，包括底座12、上固定座13、固定螺钉14及三组调平螺钉15，所述底座12与上固定座13通过固定螺钉14固定连接，三组所述调平螺钉15均布于上固定座13上，所述调平螺钉13的端部抵靠在底座12上，所述底座12固定在底板1上，MEMS振镜4安装在上固定座13顶部。
在本实施例中，底板1上位于光纤激光器2的一侧还固定有光纤支撑架16。
在本实施例中，所述大视场接收镜组7的镜片上镀增透膜。
一种采用上述大视场扫描MEMS激光雷达装置的扫描系统，扫描系统的扫描流程如下：
步骤S1,系统控制板9触发信号，光纤激光器2接收信号后发射激光，光纤激光器2发出的激光经过准直镜3准直后达到MEMS微振镜4；
步骤S2，系统控制板9同步发射信号给振镜控制板5，振镜控制板5对MEMS微振镜4进行参数设置，使经过MEMS微振镜4反射至扫描组镜6的激光经过扫描组镜6发散后能够顺利进入目标环境进行扫描；
步骤S3,激光经过目标环境扫描后反射至大视场接收镜组7，再经过光电探测器8放大处理后反馈给系统控制板9；
步骤S4,系统控制板9对步骤S3中的接收的数据进行处理，将当前目标物位置转换为空间坐标点；
步骤S5，系统控制板9持续输出信号，不断重复步骤S1-S4，MEMS微振镜4不断调整激光的发射角度，实现整个视场内目标环境的扫描和数据采集工作，并完成整个视场的三维建模。
在本实施例中，所述光纤激光器2发射激光的波长选用905nm或1550nm。
在本实施例中，激光经过准直镜3准直后的光束发散角小于5μrad，光斑直径小于5mm。
在本实施例中，在步骤S1中，振镜控制板5对MEMS微振镜4进行扫描频率和扫描角度设置。
在本实施例中，在步骤S3中，光电探测器8还对光纤激光器2发射激光的回波信号进行高效探测。
当系统用于近处探测时，光纤激光器发射激光的波长选用905nm，其成本较低，905nm激光比较接近可见光的波长,其功率受到严格限制以防止对人眼造成损伤。当系统用于远处探测时，光纤激光器发射激光的波长选用1550nm，其大大超过可见光的波长范围而对人眼更加安全，其功率可大幅度提升。光纤激光器2的光纤可安装在光纤支撑架16上。通常光纤激光器2输出的光束质量较好，本实施中采用的光纤激光器2的数值孔径为0.22mm。
通过MEMS微振镜4的微振镜驱动和控制单元在微振镜X和Y轴加载正弦驱动信号，设定相应的扫描频率和扫描角度，则激光在经过MEMS微振镜4后可在目标环境完成李萨如空间轨迹扫描。同时系统控制板9对振镜控制板5的反馈信号进行采集，可得到当前MEMS微振镜4的偏转角度。所述扫描镜组6的位置也可以进行微调，扫描镜组6可将MEMS微振镜4原有扫描范围进行扩展，以增加系统探测范围。
本实施例中的目标点位计算和三维建模方法为现有技术，故不在比做详细描述。
本发明利用光纤激光器2代替传统的半导体激光二极管作为光源以提高种子光的光束质量，同时在出射激光处加以准直镜组模块可获得较好的准直光，本方案光纤激光器2和准直镜3均可快速封装模块化，调节机构10稳定简单，为后续装调提供便利条件；其次，在通过MEMS镜片后，加以视场扩展扫描镜组以提高系统扫描范围，设计简单，结构微调便捷，从而提高产品适应性增加系统应用场景。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种大视场扫描MEMS激光雷达装置，其特征在于：包括底板、光纤激光器、准直镜、MEMS微振镜、振镜控制板、扫描镜组、大视场接收镜组、光电探测器及系统控制板，所述准直镜、MEMS微振镜、扫描镜组及大视场接收镜组均通过调节机构固定在底板上，所述光纤激光器、准直镜及MEMS微振镜位于一条直线上，所述扫描组镜正对于MEMS微振镜反射路径设置，所述大视场接收镜组平行于扫描镜组设置,大视场接收镜组与扫描镜组之间固定有遮挡板，所述光电探测器安装在大视场接收镜组的等效焦面上，所述系统控制板正对于大视场接收镜组设置，所述MEMS微振镜与振镜控制板电性连接，所述振镜控制板、光纤激光器及光电探测器均与系统控制板电性连接。
2.根据权利要求1所述的大视场扫描MEMS激光雷达装置，其特征在于：用于固定MEMS微振镜的调节机构为三点调平式结构，包括底座、上固定座、固定螺钉及三组调平螺钉，所述底座与上固定座通过固定螺钉固定连接，三组所述调平螺钉均布于上固定座上，所述调平螺钉的端部抵靠在底座上，所述底座固定在底板上，MEMS振镜安装在上固定座顶部。
3.根据权利要求1所述的大视场扫描MEMS激光雷达装置，其特征在于：底板上位于光纤激光器的一侧还固定有光纤支撑架。
4.根据权利要求1所述的大视场扫描MEMS激光雷达装置，其特征在于：所述大视场接收镜组的镜片上镀增透膜。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的大视场扫描MEMS激光雷达装置的扫描系统，其特征在于：扫描系统的扫描流程如下：
步骤S1,系统控制板触发信号，光纤激光器接收信号后发射激光，光纤激光器发出的激光经过准直镜准直后达到MEMS微振镜；
步骤S2，系统控制板同步发射信号给振镜控制板，振镜控制板对MEMS微振镜进行参数设置，使经过MEMS微振镜反射至扫描组镜的激光经过扫描组镜发散后能够顺利进入目标环境进行扫描；
步骤S3,激光经过目标环境扫描后反射至大视场接收镜组，再经过光电探测器放大处理后反馈给系统控制板；
步骤S4,系统控制板对步骤S3中的接收的数据进行处理，将当前目标物位置转换为空间坐标点；
步骤S5，系统控制板持续输出信号，不断重复步骤S1-S4，MEMS微振镜不断调整激光的发射角度，实现整个视场内目标环境的扫描和数据采集工作，并完成整个视场的三维建模。
6.根据权利要求5所述的扫描系统，其特征在于：所述光纤激光器发射激光的波长选用905nm或1550nm。
7.根据权利要求5所述的扫描系统，其特征在于：激光经过准直镜准直后的光束发散角小于5μrad，光斑直径小于5mm。
8.根据权利要求5所述的扫描系统，其特征在于：在步骤S1中，振镜控制板对MEMS微振镜进行扫描频率和扫描角度设置。
9.根据权利要求5所述的扫描系统，其特征在于：在步骤S3中，光电探测器还对光纤激光器发射激光的回波信号进行高效探测。
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