CN115728932A - 具有慢光束偏转的mems反射镜系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及具有慢光束偏转的MEMS反射镜系统。光束偏转系统被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束。该系统包括：被配置为以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡的第一谐振结构；被配置为以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡的第二谐振结构，其中第一旋转轴线平行于第二旋转轴线，并且第一谐振频率和第二谐振频率不同并且定义预定频率差；以及驱动电路，其被配置为生成第一驱动信号以驱动第一谐振结构，同时另外生成第二驱动信号以驱动第二谐振结构，以使得光束的输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，该拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

Description

具有慢光束偏转的MEMS反射镜系统

技术领域

本公开的实施例涉及MEMS反射镜系统，并且具体地涉及具有慢光束偏转的MEMS反射镜系统。

背景技术

利用微机电系统(MEMS)反射镜实现的光束偏转使得许多应用成为可能，包括但不限于光检测和测距(LIDAR)、微型投影仪显示器、相机(视觉、高光谱或热)、光谱仪、激光材料加工等等。光束偏转的角速度(即角变化率)在一些测量时间长且不能妥协的应用中至关重要。调频连续波(FMCW)LIDAR是需要相对较慢的光束偏转速度的一个示例。在FWCW应用中，光束作为连续波而不是例如离散光脉冲而被传输，而一个或多个MEMS反射镜连续移动(即振荡)以执行光束转向。因此，连续波被连续转向。

利用MEMS反射镜实现的慢光束偏转通常意味着以低谐振频率或准静态操作来操作MEMS反射镜。这两种选择都有其缺点。低频MEMS反射镜易受冲击和振动影响，并且与快速谐振MEMS反射镜相比，也导致了较低分辨率。如果准静态反射镜的特征频率较低，则它也可能容易受到冲击和振动影响，并且与快速谐振MEMS反射镜相比，它也导致了较低分辨率。或者准静态反射镜的设计可能需要大型驱动结构来提供足够的力来移动在刚性悬架上实现的反射镜以实现高特征频率。然而，增加致动结构的尺寸是不希望的，因为它增加了MEMS反射镜设备的体积。

因此，可能需要一种改进的系统和方法，该系统和方法能够利用一个或多个快速谐振操作的MEMS反射镜来提供慢速光束偏转。

发明内容

一个或多个实施例提供了一种光束偏转系统，该光束偏转系统被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束。该光束偏转系统包括：被配置为以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡的第一谐振结构；被配置为以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡的第二谐振结构；其中第一旋转轴线平行于第二旋转轴线，其中第一谐振频率与第二谐振频率不同并且定义预定频率差；以及驱动器电路，其被配置为生成第一驱动信号从而以第一谐振频率围绕第一旋转轴线驱动第一谐振结构，同时另外生成第二驱动信号从而以第二谐振频率围绕第二旋转轴线驱动第二谐振结构，以使得光束的输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，该拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

一个或多个实施例提供了一种光束偏转系统，该光束偏转系统被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束。光束偏转系统包括微机电系统(MEMS)设备和驱动电路。MEMS设备包括：外部旋转固定框架；从外部旋转固定框架悬置的内部振荡框架，其中内部振荡框架是被配置为相对于外部旋转固定框架以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡的谐振结构；以及从所述内部振荡框架悬置的谐振反射镜，其中谐振反射镜被配置为相对于内部振荡框架以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡，其中第一旋转轴线与第二旋转轴线重合，并且其中第一谐振频率和第二谐振频率不同并且定义预定频率差。驱动器电路被配置为生成第一驱动信号从而以第一谐振频率围绕第一旋转轴线驱动内部振荡框架，同时另外生成第二驱动信号从而以第二谐振频率围绕第二旋转轴线驱动谐振反射镜，以使得光束的输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，该拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

附图说明

在本文中参考附图来描述实施例。

图1A和图1B是根据一个或多个实施例的谐振MEMS反射镜扫描系统的示意框图；

图2示出了根据一个或多个实施例的图1A中所示的谐振MEMS反射镜扫描系统的偏转系统的侧视图；

图3A图示了根据一个或多个实施例的输出偏转角θout的角轨迹的一部分；

图3B仅作为一个可能示例，图示了在第一谐振频率f1被设置为2kHz、第二谐振频率f2被设置为1.975kHz、角幅度A被设置为7.5°的情况下的输出偏转角θout的角轨迹的一部分；

图3C图示了图3B中所示的拍波的放大部分；

图4A仅作为一个可能的示例，图示了在第一谐振频率f1被设置为2kHz、第二谐振频率f2被设置为1.950kHz、角幅度A被设置为7.5°的情况下的输出偏转角θout的角轨迹的一部分；

图4B图示了图4A中所示的拍波的放大部分；和

图5图示了根据一个或多个实施例的MEMS扫描设备。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述各种实施例。应当注意，这些实施例仅用于说明性目的而不应被解释为限制性的。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应被解释为指示所有这些特征或元件都是实现实施例所需要的。相反，在其他实施例中，可以省略一些特征或元件，或者可以用替代特征或元件来代替。此外，除了明确示出和描述的特征或元件之外，还可以提供另外的特征或元件，例如传感器设备的常规组件。

除非另外特别指出，否则来自不同实施例的特征可以被组合以形成另外的实施例。关于实施例之一所描述的变型或修改也可以适用于其他实施例。在一些实例中，以框图形式而不是详细地示出众所周知的结构和设备以避免混淆实施例。

此外，等效或相似的元件或具有等效或相似功能性的元件在以下描述中用等效或相似的附图标记来标示。由于在附图中相同或功能等效的元件被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元件提供的描述是可相互交换的。

除非另有说明，否则附图中所示或本文所述的元件之间的连接或耦合可以是基于电线的连接或无线连接。此外，这样的连接或耦合可以是没有附加中间元件的直接连接或耦合，或者是具有一个或多个附加中间元件的间接连接或耦合，只要连接或耦合的通用目的本质上是保持不变的，例如传输某种信号或传输某种信息。

在本公开中，包括诸如“第一”、“第二”等等之类的序数的表达可以修饰各种元件。然而，这样的元件不限于上述表达。例如，上述表达不限制元件的顺序和/或重要性。上述表达仅被用于将一个元件与其他元件区分开来。例如，第一个框和第二个框指示不同的框，但是它们都是框。又例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件也可以被称为第一元件而不脱离本公开的范围。

实施例涉及光发射器和光发射器系统，其被配置为根据扫描模式或转向模式来发射连续波光束(例如，FMCW光束)。光束包括可见光、红外(IR)光或其他类型的照射信号。在一些应用中，透射光可以被对象朝向系统反向散射，其中反向散射光由传感器检测。传感器可以将接收到的反向散射光转换为电信号，例如电流信号或电压信号，该电信号可以由系统进一步处理以生成对象数据和/或图像。

例如，在光检测和测距(LIDAR)系统中，光源将光束传输到视场中，并且光通过反向散射而从一个或多个对象反射。对于连续波调制，诸如被用于调频连续波(FMCW)光束的调制，在反射之后检测到的波相对于发射光束具有偏移的频率和/或相位，并且偏移与距反射对象或表面的距离成正比。因此，距离可以根据测量到的偏移来确定。这与脉冲调制形成对比，在脉冲调制中，系统通过测量光脉冲在反射之后从光源传播到3D场景并返回的绝对时间来测量到3D对象的距离。

像素阵列可以被用来检测和测量反射光束。例如，光电检测器阵列接收来自被光照射的对象的反射，并且信号处理电路基于检测到的反射来测量频移或相移。然后可以使用像素阵列的多个像素上的频移或相移的差异来制作环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。

扫描可以以连续扫描的方式来照射场景。通过在不同的扫描方向上发射光束，可以扫描被称为视场的区域，并且可以对该区域内的对象进行检测和成像。因此，视场标示具有投影中心的扫描平面。

图1A和图1B分别是根据一个或多个实施例的快速谐振MEMS反射镜扫描系统100A和100B的示意框图。

特别地，扫描系统100A包括两个一维(1D)谐振MEMS反射镜12和14，它们被用来根据连续扫描模式来转向或以其他方式偏转光束。在本文描述的一个或多个实施例中，MEMS反射镜12和14围绕它们各自的轴线振荡，其中这些轴线被布置为彼此平行。因此，围绕光学耦合或紧密布置的平行轴线振荡的两个或更多个谐振MEMS反射镜可以被用于光束转向，特别是用于以随时间变化的输出偏转角传输光束。例如，输出偏转角可以由最大正角(例如，+15°)和最大负角(例如，-15°)来定义，由此光束的输出偏转角在这两个极值之间振荡。

在这种情况下，一个MEMS反射镜被配置为以第一谐振频率f1振荡，而另一个MEMS反射镜被配置为以不同于第一谐振频率f1的第二谐振频率f2振荡。两个MEMS反射镜12和14形成光束偏转系统，该系统在输出偏转角扫描模式的某些“慢速移动”周期或区间期间产生缓慢移动的角光束轨迹(即，缓慢的角变化率)。“缓慢”的“角变化率”是低于预定阈值的“角变化率”。

用围绕平行旋转轴线以不同的谐振频率驱动的两个快速谐振MEMS反射镜12和14所产生的角光束轨迹(即，输出偏转角)包括以拍频振荡的缓慢移动的包络和在包络下的快速移动的振荡轨迹。慢运动的区间(沿着包络)可以被用于需要慢运动的测量(如FMCWLIDAR)。

相比之下，扫描系统100B包括单个1D MEMS反射镜14，其用被用来根据连续扫描模式转向或以其他方式偏转光束的万向架框架来实现。下面将进一步详述，该万向架框架包括外部旋转固定框架、从外部旋转固定框架悬置的内部振荡框架、以及从内部振荡框架悬置的MEMS反射镜14。MEMS反射镜14和内部振荡框架都是谐振结构，它们围绕它们各自的旋转轴线以不同的谐振频率(例如，谐振频率f1和f2)振荡，这些旋转轴线彼此重合。

围绕平行(即，重合)旋转轴线以不同的谐振频率驱动两个快速谐振结构(即，内部振荡框架和MEMS反射镜14)产生的角光束轨迹(即，输出偏转角)包括以拍频振荡的缓慢移动的包络和在包络下的快速移动的振荡轨迹。慢运动的区间(沿着包络)可以被用于需要慢运动的测量(如FMCW LIDAR)。

因此，上述光束偏转系统可以用单独的光学耦合MEMS反射镜(图1A)或用在包括两对悬置结构和两个谐振频率但是只有一个重合旋转轴线的万向架框架中实现的单个MEMS反射镜来实现(图1B)。在这两种情况下，控制回路都被用来使两个谐振结构进入到以所期望的幅度和谐振频率振荡的谐振。在一些情况下，可以使用另一个控制回路来调谐谐振频率以获得谐振频率f1和f2之间的期望频率差。

MEMS反射镜12和14是集成在半导体芯片上的机械移动反射镜(即，MEMS微镜)。MEMS反射镜12和14二者都由连接到半导体芯片的旋转固定框架的相应一对悬置结构来悬置。旋转固定框架环绕其MEMS反射镜，并且一对悬置结构在轴向方向上从框架延伸到MEMS反射镜。MEMS反射镜12的一对悬置结构定义了第一谐振扫描轴线13。类似地，MEMS反射镜14的一对悬置结构定义了第二谐振扫描轴线15。

因此，根据本文描述的实施例的MEMS反射镜被配置为经由围绕单个谐振扫描轴线(即，1D MEMS反射镜)的旋转来振荡。MEMS反射镜在扫描轴上的振荡可以因此在两个预定的极值偏转角(例如，+/-15度)之间进行。光束偏转设备或系统被配置为在至少一个维度(例如，在水平x方向上或在垂直y方向上)控制光束的转向。

在图1A中所示的示例中，两个1D MEMS反射镜12和14被用来在一个维度中转向光束。MEMS反射镜12包括第一谐振扫描轴线13，其使得MEMS反射镜12能够根据第一偏转角θ1来对光进行转向。类似地，MEMS反射镜14包括平行于轴线13延伸的第二谐振扫描轴线15，其使得MEMS反射镜14能够以第二偏转角θ2来对光进行转向，其中输出偏转角从第一和第二偏转角的组合中导出(例如，2(θ1–θ2))。在两个不同谐振频率处的振荡以产生拍波的拍模式的方式进行干涉，以使得输出偏转角的轨迹跟随拍波的拍模式。因此，输出偏转角的角变化率取决于拍波的拍模式。

两个MEMS反射镜12和14沿着光束的传输路径顺序地布置，以使得其中一个MEMS反射镜(例如，MEMS反射镜12)首先接收光束并且根据其偏转角θ1对光束进行转向，并且第二个MEMS反射镜(例如，MEMS反射镜14)接收来自第一个MEMS反射镜的光束，并且根据其偏转角θ2并且同时根据输出偏转角对光束进行转向，该输出偏转角由以下事实来调制：两个MEMS反射镜以不同的谐振频率在平行轴线上振荡。结果，两个MEMS反射镜12和14一起操作使对由照射单元10产生的光束以输出偏转角转向。以这种方式，两个MEMS反射镜12和14可以将光束引导到视场中的期望坐标处。

在图1B中所示的另一个示例中，在万向架框架中实现的一个1DMEMS反射镜14被用来偏转光束。内部振荡框架被配置为关于外部旋转固定框架以第一谐振频率f1振荡，并且MEMS反射镜14被配置为关于内部振荡框架以第二谐振频率f2振荡。换言之，MEMS反射镜14被配置为根据输出偏转角的轨迹关于外部旋转固定框架围绕其旋转轴线15振荡，其轨迹具有拍波的拍模式。换句话说，内部振荡框架和MEMS反射镜14在两个不同谐振频率下的振荡以产生拍波的拍模式的方式进行干涉，以使得输出偏转角的轨迹跟随拍波的拍模式。因此，输出偏转角的角变化率取决于拍波的拍模式。以这种方式，单个MEMS反射镜能够根据调制的角轨迹使从照射单元10接收的光束转向。

每个MEMS反射镜12、14和14是谐振器(即，谐振MEMS反射镜)，被配置为围绕其每个扫描轴以谐振频率“左右”振荡，以使得从MEMS反射镜在相应扫描轴的扫描方向上来回振荡。如下文将进一步详细描述的，不同的谐振频率可以被用于每个扫描轴线13和15以用于定义模式。

扫描系统100A和100B各自包括照射单元10(即，光发射器)，其包括被配置为沿着传输路径朝向(多个)MEMS反射镜传输光束的至少一个光源(例如，至少一个激光二极管或发光二极管)。照射单元10可以根据从系统控制器23接收到的触发信号将光束作为FMCW光束发射。

扫描系统100A和100B还包括被配置为控制扫描系统的组件的系统控制器23。在诸如LIDAR之类的某些应用中，系统控制器23还可以被配置为从光传感器(未图示)接收原始数据并且在其上执行处理(例如，经由数字信号处理)以用于生成对象数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的信号处理链的至少一个处理器和/或处理器电路(例如，相位检测器、比较器、ADC和数字信号处理器(DSP))，以及被配置为生成控制信号的控制电路，诸如微控制器。

系统控制器23被配置为生成被用来触发照射单元10生成光束的触发信号。系统控制器23还被配置为针对其相应扫描轴线中的每个扫描轴线设置谐振结构(例如，MEMS反射镜或振荡框架)的驱动频率，并且例如根据所期望的频率差，能够同步围绕两个扫描轴线13和15的振荡。

扫描系统100A和100B二者都包括用于驱动围绕第一扫描轴线13的谐振结构(例如，图1A中的MEMS反射镜12或图1B中的内部振荡框架)的驱动器25和用于驱动围绕第二扫描轴线15的MEMS反射镜14的MEMS驱动器26。每个驱动器25、26致动并感测其谐振结构围绕其各自扫描轴的旋转位置，并向系统控制器23提供谐振结构的位置信息(例如，围绕旋转轴线的旋转度数或倾斜角)。基于该位置信息，系统控制器23可以调整一个或多个系统参数。

驱动电压(即，致动或驱动信号)由驱动器施加到对应于其对应扫描轴的谐振结构的致动器结构，以驱动谐振结构围绕该扫描轴的振荡。驱动电压可以被称为高压(HV)。致动器结构可以包括由叉指镜梳和框梳制成的叉指电极，驱动电压(即，致动或驱动信号)由谐振结构施加到所述叉指电极。施加到致动器结构的驱动电压在例如叉指谐振结构梳和框梳之间产生驱动力，这在谐振结构体上围绕旋转轴线产生扭矩。驱动电压可以开关或切换到接通和关断(HV开/关)，从而产生振荡驱动力。振荡驱动力使谐振结构在其旋转轴线上在两个极值之间来回振荡。驱动电压可以是恒定的驱动电压，这意味着驱动电压在被致动(即，切换到开启)时是相同的电压。然而，将理解的是，驱动电压被切换接通和关断以便产生振荡。取决于配置，可以通过调整驱动电压关闭时间、驱动电压的电压电平或占空比来调节或调整该致动。

在其他实施例中，可以使用电磁致动器来驱动围绕对应扫描轴的谐振结构。对于电磁致动器，可以使用驱动电流(即，致动或驱动信号)来生成振荡驱动力。因此，应当了解，驱动/驱动(drive/driving)电压和驱动/驱动电流在本文中可以互换使用以指示致动信号或驱动信号，并且两者通常可以被称为驱动力。

因此，传输技术包括至少两个谐振结构，被用于根据扫描模式将连续光波从一个或两个传输反射镜传输到视场中。谐振结构围绕每个扫描轴以谐振方式连续振荡，以使得连续波光束被投射到视场中，其随着谐振结构改变传输方向而移动穿过视场。此外，由系统控制器23设置附加条件，诸如谐振频率和频率差，以便生成作为拍波的拍模式的期望扫描模式。

图2示出了根据一个或多个实施例的图1A中所示的谐振MEMS反射镜扫描系统100A的偏转系统的侧视图。偏转系统接收沿着第一参考轴线(例如，x轴)传输的输入光束A(例如，FMCW光束)，并根据输出偏转角θout＝θD输出输出光束D，输出偏转角具有关于与第一参考轴平行的第二参考轴(例如，x'轴)跟随拍波的拍模式的角轨迹。换言之，输出偏转角θout关于第二参考轴变化(例如，+/-15度)。

角度θA是输入光束A相对于x轴的输入光束角。在这种情况下，输入光束角被设置为零。

偏转系统包括接收输入光束并以第一偏转角θB朝向MEMS反射镜14偏转光束的MEMS反射镜12。θB是在被MEMS反射镜12反射之后的光束B与x轴之间的角度。θB根据等式1和2来计算。

AOI1＝θ1-180° 等式1

θA＝θ1+AOI1 等式2

其中AIO1标示入射在MEMS反射镜12上的光束的第一入射角(AOI)(即，输入光束A和法线向量n1之间的角度)。

MEMS反射镜14被配置为接收来自MEMS反射镜12的光束并且以第二偏转角θD(即，输出偏转角θout)偏转光束。

应注意，MEMS反射镜12的反射表面作为入射法线n1，从其中计算第一偏转角θB，并且MEMS反射镜14的反射表面作为入射法线n2，从其中计算第二偏转角θD。光束的输出偏转角θout基于第一偏转角和第二偏转角之间的差(例如，θout＝2(θ1-θ2))。具体地，根据等式3-7来计算第一反射镜角θ1、第二反射镜角θ2和输出偏转角θout。

θ1＝θ1′+A*sin(2π*f1*t) 等式3

θ2＝θ2′+A*sin(2π*f2*t) 等式4

θ_D＝2θ2′-2θ1′+180°+2A(sin(2π*f2*t)-sin(2π*f1*t)) 等式5

θ1′-θ2′＝90°以具有0°偏移 等式6

其中A标示反射镜角θ1的最大偏转角幅度和反射镜角θ2的最大偏转角幅度，其中两者具有相等的最大偏转幅度。例如，角幅度A可以等于7.5°，这将为输出偏转角θout提供+/-30度的角度范围。等式7定义了由于轴线13和15彼此平行并且由于f1和f2不同而输出偏转角θout所跟随的拍模式。换句话说，θout＝θD并且根据拍模式而相对于x′轴变化。

θ1′是当MEMS反射镜12不移动(即，静止)或处于零位置时法向矢量与x轴之间的角度。类似地，θ2′是法线向量n2与x′轴或与x轴之间的角度，因为它在MEMS反射镜14不移动(即，静止)或处于零位置时是相同的。重要的是要注意，θ1′-θ2′＝90°，因此等式5中的2θ2′-2θ1′+180°＝0°。在这种情况下，当两个反射镜都处于0°时(例如，当MEMS反射镜12和14都没有移动时)输出光束θout＝θD与输入光束A共线。

偏转系统还包括中继光学系统，该中继光学系统包括沿着两个MEMS反射镜12和14之间的传输路径顺序布置的两个准直透镜31和32。中继光学系统将被MEMS反射镜12偏转的光束中继到MEMS反射镜14。具体地，透镜31在其焦平面中具有反射镜12的旋转轴线13，接收来自MEMS反射镜12的偏转光束B并将光束作为准直光束引导至透镜32。以这种方式，两个MEMS反射镜12和14经由中继光学系统彼此光学耦合，这意味着即使它们在机械上是分开的，它们也会接收并偏转相同的光束。在其焦平面中具有反射镜14的旋转轴线15的透镜32然后以角度θC将光束C引导到MEMS反射镜14。MEMS反射镜12、中继光学系统和MEMS反射镜14沿着光束的传输路径顺序布置。

θC是在传播中继光学器件之后(即，在透镜32之后)的光束C与x轴之间的角度。θC根据等式8来计算。

θC＝360°-θB+180° 等式8

θD是输出光束D与x′轴或x轴之间的角度。θD可以根据等式9和10来计算。

AOI2＝θC-180°-θ2 等式9

θD＝θ2-AOI2 等式10

其中AOI2是入射在MEMS反射镜14上的光束C的第二入射角(即，光束C和法线向量n2之间的角度)。

图3A图示了根据一个或多个实施例的输出偏转角θout的角轨迹的一部分。MEMS反射镜12和14在它们各自的谐振频率下的振荡根据等式3相互干涉，以产生具有拍模式(即，干涉模式)的拍波。拍波具有两种周期振荡：一种是以拍频振荡的缓慢移动的包络，另一种是在包络下的快速移动的振荡轨迹(即，限制在包络内)。

慢运动区间沿着包络来产生并且可以被用于需要慢反射镜运动的测量。例如，输出偏转角θout的角速度或变化率在谐振结构穿过其零偏转角时最大，而当输出偏转角θout在其极值或峰值幅度改变方向时最小。零偏转角是反射镜在不被驱动的情况下自然静止的角度位置。因此，角速度在输出偏转角θout的角轨迹的每个峰值附近(即，拍波的每个峰值附近)的角区域中减慢。正是在这个区域中，可以使用慢运动测量。

如图3A中所示，光束的输出偏转角θout根据拍波的拍模式来振荡，拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。周期性包络是一种正弦波，其频率被称为拍频。周期性包络定义了拍波的“形状”或“轮廓”。极值幅度延伸到这个包络的边界，并且因此受到正弦包络的约束。周期性包络由等式3的正弦项来定义。因此，拍频由预定频率差(f1-f2)除以2来定义。

虽然输出偏转角θout的极值幅度随时间由周期性包络调制，但是输出偏转角θout的振荡频率在由等式3的余弦项所定义的包络内部。因此，输出偏转角θout的振荡频率由第一谐振频率和第二谐振频率的平均值定义(即f1+f2除以2)。

总而言之，输出偏转角θout根据拍波的拍模式来移动，拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义，其中周期性包络具有由预定频率差所定义的拍频并且拍波具有由第一谐振频率和第二谐振频率的平均值所定义的振荡频率。

由于f1和f2之间的预定频率差定义了拍频，所以它还负责定义周期性包络的形状。具体而言，拍频与周期性包络的斜率相关，包括周期性包络的最大斜率。系统控制器23被配置为控制驱动器25和26以便控制预定频率差(f1-f2)，以使得周期性包络的最大斜率在整个扫描周期内被维持在预定阈值以下，在该扫描周期期间，光束在输出偏转角的全角度范围内被偏转。以这种方式，可以保证在整个扫描周期期间，在每个角度处都沿着包络产生慢运动区间。

如上面所指出，慢运动区间出现在拍波的每个振荡峰值附近的区域中。这是输出偏转角θout因方向变化(即从左到右或从右到左的变化)而减慢的地方。每个慢运动区间仅针对角度空间中的一部分而出现。换言之，每个慢运动区间覆盖取决于拍频的相应角度范围。随着输出偏转角θout接近极值幅度，它开始变慢。在某个偏转角处，输出偏转角θout的角速度低于定义“慢运动”的预定速度阈值，该“慢运动”可能是某些慢运动测量的极限。随着输出偏转角θout通过极值幅度，慢运动区间继续，此时输出偏转角θout的角速度开始增加。当角速度再次达到或超过预定速度阈值时，慢运动区间结束。

在图3A中，拍模式的“尖端”以慢区域区间来标记，这些慢区域区间沿着周期性包络跟随。由于输出偏转角θout的极值幅度由周期性包络来调制，因此每次振荡都覆盖了其慢运动区间发生的不同角度范围。系统控制器23被配置为控制驱动器25和26以便控制预定频率差，以使得拍波的拍模式沿着周期性包络的整个轨迹具有慢运动区间，其中慢运动区间是输出偏转角θout的角变化率小于预定义的速度阈值的拍波的片段。

图3B仅作为一个可能示例图示了输出偏转角θout的角轨迹的一部分，其中第一谐振频率f1被设置为2kHz，第二谐振频率f2被设置为1.975kHz，角幅度A被设置为7.5°。

图3C图示了图3B中所示的拍波的放大部分300。每个慢运动区间由相应的角度范围和相应的时间范围来定义。正如可以看出的，输出偏转角θout的最左边的振荡峰值具有覆盖角度空间中的角度范围AR1的慢运动区间。下一个相邻振荡峰具有覆盖不同角度范围AR2的慢运动区间，该不同角度范围AR2至少与角度范围AR1邻接。在这种情况下，角度范围AR2与角度范围AR1重叠。以这种方式，沿着周期性包络轨迹的角度范围AR1和AR2中的所有角度值都具有可以进行慢运动测量的慢运动部分。

类似地，下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR2邻接的不同角度范围AR3的慢运动区间，不同角度范围AR3至少与角度范围AR2邻接。下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR3邻接的不同角度范围AR4的慢运动区间。下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR4邻接的不同角度范围AR5的慢运动区间。下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR5邻接的不同角度范围AR6的慢运动区间。下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR6邻接的不同角度范围AR7的慢运动区间。下一个相邻的振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR7邻接的不同角度范围AR8的慢运动区间。最后，下一个相邻振荡峰具有覆盖至少与角度范围AR8邻接的不同角度范围AR9的慢运动区间。

这种连续或重叠的慢运动角度范围的模式沿着周期性包络的上(正)部分的上极值以及周期性包络的下(负)部分的下极值继续。结果，输出偏转角θout的全角度范围内的所有角度值(例如，+/-15度之间的所有角度值)都具有慢运动部分，在该慢运动部分期间可以进行慢运动测量。换句话说，周期性包络具有定义光束的绝对最大输出偏转角的最大峰值，并且周期性包络具有定义光束的绝对最小输出偏转角的最小峰值，最大输出偏转角和最小输出偏转角定义光束的输出偏转角的全角度范围，并且在拍波的轨迹上，慢运动区间在角度空间中重叠，以使得慢运动区间在作为一个整体时与输出偏转角θout的全角度范围内的所有偏转角一致。

那些具有正角度值的慢运动区间可以被称为第一多个慢运动区间，而那些具有负角度值的慢运动区间可以被称为第二多个慢运动区间。第一多个慢运动区间中的每个慢运动区间包含拍波的多个最大值中的不同最大值，其中第一多个慢运动区间的相邻慢运动区间具有重叠的不同的相应角度范围，并且第二多个慢运动区间中的每个慢运动区间包含拍波的多个最小值中的不同最小值，其中第二多个慢运动区间的相邻慢运动区间具有重叠的不同的相应角度范围。

与极值幅度是恒定的并且因此不利用周期性包络进行调制的振荡波形相比，仅可能具有接近例如15度和-15度(即，接近绝对最大值和最小值)的慢运动区间。绝大多数振荡波形(例如，+/-14.5度)对于慢运动测量来说太快了，除非通过使用低谐振频率显著减慢输出偏转角的振荡。即便如此，并非所有输出偏转角都可能与慢运动一致。然而，如上面所指出，反射镜振荡容易受到振动的影响，并且进一步的结果是分辨率低。

图4A仅作为一个可能的示例图示了输出偏转角θout的角轨迹的一部分，其中第一谐振频率f1被设置为2kHz，第二谐振频率f2被设置为1.950kHz，角幅度A被设置为7.5°。

图4B图示了图4A中所示的拍波的放大部分400。每个慢运动区间由相应的角度范围AR10-AR15和相应的时间范围来定义。然而，与图3C中所示的角度范围AR1-AR9相比，相邻振荡峰值的角度范围AR10-AR15不重叠。在这种情况下，在输出偏转角θout的轨迹期间存在不能被用于慢运动的角度范围。这将导致视场中的某些角度区域无法进行慢运动测量，从而导致慢运动应用的“盲点”或空隙。因此，系统控制器23被配置为控制驱动器25和26以便控制预定频率差，以使得拍波的拍模式沿着周期性包络的整个轨迹具有慢运动区间，并且另外使得沿着周期性包络的轨迹相邻的慢运动区间具有连续或重叠的角度范围，以使得输出偏转角θout的全角度范围的所有角度值都具有与其对应的慢运动区间。

图5图示了根据一个或多个实施例的MEMS扫描设备500。特别地，MEMS扫描设备500是在万向架框架中实现的一维MEMS反射镜14，如图1B中类似所示。万向架框架包括不围绕轴旋转或振荡的外部旋转固定框架51、通过一对悬置结构53和54从外部旋转固定框架悬置的内部振荡框架52、以及通过一对悬置结构55和56从内部振荡框架52悬置的谐振MEMS反射镜14。另外，第一旋转轴线13与第二旋转轴线15重合，并且这两个旋转轴线可以被认为是相同的、公共旋转轴线。

内部振荡框架52是谐振结构，其被配置为相对于外部旋转固定框架51以第一谐振频率f1围绕第一旋转轴线13振荡。另外，MEMS反射镜14被配置为相对于内部振荡框架52以第二谐振频率f2围绕第二旋转轴线15振荡。此外，MEMS反射镜14被配置为根据拍波的拍频相对于外部旋转固定框架51围绕第二旋转轴线15振荡。换言之，输出偏转角θout的振荡轨迹跟随拍波的拍模式。

第一对悬置结构53和54沿着第一旋转轴线13延伸并且将内部振荡框架52机械地耦合到外部旋转固定框架51。第二对悬置结构55和56沿着第二旋转轴线15延伸并且将谐振反射镜机械地耦合到内部振荡框架。悬置结构的行为类似于扭力弹簧，当它们相应的谐振结构振荡时，它们围绕它们的旋转轴线扭转。

整个设备500可以由半导体材料制成为单个一体式的整体结构。外部旋转固定框架51环绕内部振荡框架52，并且耦合在外部旋转固定框架51和MEMS反射镜14之间的内部振荡框架52环绕MEMS反射镜14。

如前所述，第一谐振频率f1和第二谐振频率f2不同并且定义了预定频率差。结果，光束的输出偏转角根据拍波的拍模式来振荡，拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义，类似于图3A-图3C中所示的那样。

下面阐述另外的示例实施例。

1.一种被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束的光束偏转系统，该光束偏转系统包括：

被配置为围绕第一旋转轴线旋转的第一谐振结构；

被配置为围绕第二旋转轴线旋转的第二谐振结构，其中，第一旋转轴线平行于第二旋转轴线；和

驱动器电路，被配置为通过生成第一驱动信号来以第一谐振频率围绕第一旋转轴线连续驱动第一谐振结构，同时另外生成第二驱动信号来以第二谐振频率围绕第二旋转轴线连续驱动第二谐振结构，以使得第一和第二谐振频率进行干涉以产生拍波，

其中光束的输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，该拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义，

其中第一谐振频率和第二谐振频率不同并且定义预定频率差。

2.根据实施例1所述的光束偏转系统，其中：

第一和第二谐振结构光学地耦合，以及

第一谐振结构被配置为以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡，而第二谐振结构以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡，以使得输出偏转角根据拍波的拍模式随时间变化。

3.根据实施例2所述的光束偏转系统，其中第一谐振结构和第二谐振结构是微机电系统(MEMS)反射镜。

4.根据实施例1所述的光束偏转系统，其中第二谐振结构被配置为以输出偏转角偏转光束，其中输出偏转角根据拍波的拍模式随时间变化。

5.根据实施例1所述的光束偏转系统，其中：

第一和第二谐振结构彼此机械地耦合，其中第一旋转轴线与第二旋转轴线重合，并且

第一谐振结构被配置为以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡，而第二谐振结构以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡，以使得输出偏转角根据拍波的拍模式随时间变化。

6.根据实施例5所述的光束偏转系统，还包括：

微机电系统(MEMS)设备，其包括外部旋转固定框架、从外部旋转固定框架悬置的内部振荡框架、以及从内部振荡框架悬置的第二谐振结构，

其中内部振荡框架是第一谐振结构，并且

其中第二谐振结构是MEMS反射镜。

7.根据实施例6所述的光束偏转系统，其中：

外部旋转固定框架环绕内部振荡框架，并且

耦合在外部旋转固定框架和第二谐振结构之间的内部振荡框架环绕第二谐振结构。

8.根据实施例1所述的光束偏转系统，其中周期性包络具有由预定频率差定义的拍频，并且拍波具有由第一谐振频率和第二谐振频率的平均值所定义的振荡频率。

尽管本文描述的实施例涉及具有至少一个MEMS反射镜的MEMS设备，但是应理解，其他实现可以包括除MEMS反射镜设备之外的光学设备，包括被用来根据扫描模式对光进行转向的其他非MEMS谐振振荡结构。此外，虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是显然这些方面也表示了对对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的各方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。一些或所有方法步骤可以通过(或使用)硬件装置来执行，如例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，一些一个或多个方法步骤可以由这样的装置来执行。

还应注意，说明书中或权利要求中所公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每一个的部件的设备来实现。此外，应当理解，说明书中或权利要求中所公开的多个动作或功能的公开可能不被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开不会将这些限制为特定顺序，除非此类动作或功能由于技术原因不可互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。除非明确排除，否则此类子行为可以被包括在这种单个行为的公开内并且是这种单个行为的公开的一部分。

本公开中描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，所描述技术的各个方面可以被实现在一个或多个处理器内，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)或任何其他等效的集成或分立逻辑电路，以及此类组件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以单独或与其他逻辑电路或任何其他等效电路组合地指代任何前述逻辑电路。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的技术中的一种或多种。控制单元可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，其还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以被实现在相同的设备内或在分开的设备内以支持本公开中描述的各种技术。

本公开的一个或多个方面可以被实现为非暂时性计算机可读记录介质，在其上记录了体现用于指示处理器执行方法/算法的方法/算法的程序。因此，非暂时性计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电子可读控制信号，其与可编程计算机系统协作(或能够协作)，以使得相应的方法/算法被执行。非暂时性计算机可读记录介质可以是例如CD-ROM、DVD、蓝光光盘、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存或电子存储器设备。

尽管已经公开了各种实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，以实现本文所公开的概念的一些优点。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以适当地替换执行相同功能的其他组件。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。应该提及的是，参考特定附图解释的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在那些没有明确提及的附图中也是如此。对一般发明概念的这种修改旨在由所附权利要求及其法律等效物覆盖。

Claims (31)

1.一种光束偏转系统，被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束，所述光束偏转系统包括：

第一谐振结构，被配置为：以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡；

第二谐振结构，被配置为：以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡；

其中所述第一旋转轴线平行于所述第二旋转轴线，

其中所述第一谐振频率和所述第二谐振频率是不同的并且定义预定频率差；以及

驱动器电路，被配置为：生成第一驱动信号来以所述第一谐振频率围绕所述第一旋转轴线驱动所述第一谐振结构，同时另外生成第二驱动信号来以所述第二谐振频率围绕所述第二旋转轴线驱动所述第二谐振结构，使得所述光束的所述输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，所述拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

2.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述周期性包络具有由所述预定频率差定义的拍频，并且所述拍波具有由所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的平均值定义的振荡频率。

3.根据权利要求2所述的光束偏转系统，其中所述光束的所述输出偏转角以所述拍波的所述振荡频率振荡。

4.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述拍模式是所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的干涉模式。

5.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述第一谐振结构和所述第二谐振结构光学地耦合。

6.根据权利要求5所述的光束偏转系统，其中：

所述第一谐振结构和所述第二谐振结构沿着所述光束的传输路径顺序布置，

所述第一谐振结构和所述第二谐振结构光学地耦合，使得所述第一谐振结构被配置为接收所述光束并且将所述光束以第一偏转角朝向所述第二谐振结构偏转，并且所述第二谐振结构被配置为接收来自所述第一谐振结构的光束并且以第二偏转角偏转所述光束。

7.根据权利要求6所述的光束偏转系统，其中所述光束的所述输出偏转角基于在所述第一偏转角与所述第二偏转角之间的差。

8.根据权利要求7所述的光束偏转系统，其中所述光束的所述输出偏转角以所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的平均值振荡。

9.根据权利要求6所述的光束偏转系统，还包括：

中继光学系统，布置在所述第一谐振结构与所述第二谐振结构之间，其中所述中继光学系统将由所述第一谐振结构偏转的所述光束中继到所述第二谐振结构。

10.根据权利要求5所述的光束偏转系统，还包括：

发射器，被配置为沿着所述传输路径传输所述光束以便通过所述第一谐振结构和所述第二谐振结构接收并且顺序偏转。

11.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述第一谐振结构和所述第二谐振结构是微机电系统MEMS反射镜。

12.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述光束是调频连续波(FMCW)。

13.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述驱动器电路被配置为控制预定频率差，以使所述拍波的所述拍模式具有沿着所述周期性包络的轨迹的慢运动区间，其中所述慢运动区间是所述输出偏转角的角变化率小于预定义阈值的所述拍波的分段。

14.根据权利要求13所述的光束偏转系统，其中：

所述周期性包络具有最大峰值和最小峰值，所述最大峰值定义所述光束的绝对最大输出偏转角，并且所述最小峰值定义所述光束的绝对最小输出偏转角，

所述最大输出偏转角和所述最小输出偏转角定义所述光束的所述输出偏转角的全角度范围，以及

在所述拍波的轨迹上，所述慢运动区间在角度空间中重叠，以使得所述慢运动区间在被作为一个整体时与所述输出偏转角的全角度范围的所有偏转角一致。

15.根据权利要求13所述的光束偏转系统，其中：

所述慢运动区间中的每个慢运动区间由相应的角度范围和相应的时间范围来定义，以及

所述慢运动区间的所述相应的角度范围沿着所述周期性包络的所述轨迹是连续的或重叠的。

16.根据权利要求13所述的光束偏转系统，其中：

所述慢运动区间中的每个慢运动区间由相应的角度范围和相应的时间范围来定义，

所述拍波具有多个最大值和多个最小值，所述多个最大值和所述多个最小值的幅度由所述周期性包络来定义，

所述慢运动区间包括第一多个慢运动区间和第二多个慢运动区间，

所述第一多个慢运动区间中的每个第一多个慢运动区间包含所述拍波的所述多个最大值中的不同最大值，其中所述第一多个慢运动区间的相邻慢运动区间具有重叠的不同的相应角度范围，以及

所述第二多个慢运动区间中的每个第二多个慢运动区间包含所述拍波的所述多个最小值中的不同最小值，其中所述第二多个慢运动区间的相邻慢运动区间具有重叠的不同的相应角度范围。

17.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述驱动器电路被配置为控制所述预定频率差，以使得所述周期性包络的最大斜率在整个扫描周期内维持在预定阈值以下，在所述整个扫描周期期间，所述光束在所述输出偏转角的全角度范围内被偏转。

18.根据权利要求17所述的光束偏转系统，其中：

所述驱动器电路被配置为控制所述预定频率差，以使得所述拍波的所述拍模式具有沿着所述周期性包络的轨迹的慢运动区间，其中所述慢运动区间是所述拍波的所述输出偏转角的角变化率小于预定义阈值的片段，以及

在所述拍波的轨迹上，所述慢运动区间在角度空间中重叠，以使得所述慢运动区间在作为一个整体时与所述输出偏转角的全角度范围的所有偏转角一致。

19.根据权利要求1所述的光束偏转系统，其中所述第一谐振结构和所述第二谐振结构机械地耦合。

20.根据权利要求19所述的光束偏转系统，还包括：

微机电系统MEMS设备，所述MEMS设备包括外部旋转固定框架、从所述外部旋转固定框架悬置的内部振荡框架、以及从所述内部振荡框架悬置的所述第二谐振结构，

其中所述内部振荡框架是所述第一谐振结构，

其中所述第二谐振结构是MEMS反射镜，以及

其中所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线重合。

21.根据权利要求20所述的光束偏转系统，其中：

所述MEMS设备包括万向架框架，所述万向架框架包括所述外部旋转固定框架和所述内部振荡框架，

所述外部旋转固定框架环绕所述内部振荡框架，以及

所述内部振荡框架，耦合在所述外部旋转固定框架与所述第二谐振结构之间、环绕所述第二谐振结构。

22.根据权利要求20所述的光束偏转系统，其中所述内部振荡框架被配置为关于所述外部旋转固定框架以所述第一谐振频率振荡，并且所述第二谐振结构被配置为关于所述内部振荡框架以所述第二谐振频率振荡。

23.根据权利要求22所述的光束偏转系统，其中所述第二谐振结构被配置为根据所述拍波的所述拍模式关于所述外部旋转固定框架围绕所述第二旋转轴线振荡。

24.一种光束偏转系统，被配置为以随时间变化的输出偏转角传输光束，所述光束偏转系统包括：

微机电系统MEMS设备，包括：

外部旋转固定框架；

内部振荡框架，从所述外部旋转固定框架悬置，其中所述内部振荡框架是被配置为相对于所述外部旋转固定框架以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡的谐振结构；以及

谐振反射镜，从所述内部振荡框架悬置，其中所述谐振反射镜被配置为相对于所述内部振荡框架以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡，

其中所述第一旋转轴线与所述第二旋转轴线重合，

其中所述第一谐振频率与所述第二谐振频率不同并且定义预定频率差；以及

驱动器电路，所述驱动器电路被配置为生成第一驱动信号从而以所述第一谐振频率围绕所述第一旋转轴线驱动所述内部振荡框架，同时另外生成第二驱动信号从而以所述第二谐振频率围绕所述第二旋转轴线驱动所述谐振反射镜，以使得所述光束的所述输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，所述拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

25.根据权利要求24所述的光束偏转系统，其中所述谐振反射镜被配置为以所述输出偏转角偏转所述光束，其中所述输出偏转角根据所述拍波的所述拍模式随时间变化。

26.根据权利要求25所述的光束偏转系统，其中所述周期性包络具有由所述预定频率差定义的拍频，并且所述拍波具有由所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的平均值所定义的振荡频率。

27.根据权利要求24所述的光束偏转系统，其中所述MEMS设备还包括：

第一对悬置结构，沿着所述第一旋转轴线延伸，其中所述第一对悬置结构将所述内部振荡框架机械地耦合到所述外部旋转固定框架；以及

第二对悬置结构，沿着所述第二旋转轴线延伸，其中所述第二对悬置结构将所述谐振反射镜机械地耦合到所述内部振荡框架。

28.根据权利要求24所述的光束偏转系统，其中所述MEMS设备包括万向架框架，所述万向架框架包括所述外部旋转固定框架和所述内部振荡框架，

其中所述外部旋转固定框架环绕所述内部振荡框架，以及

其中所述内部振荡框架耦合在所述外部旋转固定框架与所述第二谐振结构之间、环绕所述第二谐振结构。

29.根据权利要求24所述的光束偏转系统，其中所述谐振反射镜被配置为根据所述拍波的所述拍模式关于所述外部旋转固定框架围绕所述第二旋转轴线振荡。

30.一种以随时间变化的输出偏转角偏转光束的方法，所述方法包括：

根据第一驱动信号驱动第一振荡器结构以第一谐振频率围绕第一旋转轴线振荡；

在以所述第一谐振频率驱动所述第一振荡器结构时，根据第二驱动信号驱动第二振荡器结构以第二谐振频率围绕第二旋转轴线振荡，其中所述第一旋转轴线平行于所述第二旋转轴线；

控制所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，以使得所述第一谐振频率和所述第二谐振频率不同并且在所述第一谐振频率和所述第二谐振频率之间具有预定频率差，

传输所述光束以由至少所述第二振荡器结构偏转，以使得所述光束的所述输出偏转角根据拍波的拍模式振荡，所述拍波的极值幅度由周期性包络来调制和定义。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一振荡器结构的振荡与所述第二振荡器结构的振荡干涉以产生调制所述光束的所述输出偏转角的所述拍波。

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