CN208283548U - 一种基于mems微镜的三维扫描激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，扫描模块设置在底座上，发射模块和接收模块设置在扫描模块上，接收模块设置在发射模块的一侧，外罩设置在发射模块和接收模块的外围。扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位，发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，接收模块探测和处理回波，控制模块获得待测环境的点云阵列。接收模块包括接收镜头、导光元件和接收探测器，接收镜头包括3或4个透镜，导光元件设置在接收镜头与接收探测器之间，导光元件的长度范围为5mm至20mm。本实用新型提供的激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

Description

一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达。

背景技术

激光扫描测距雷达能够用于检测目标位置，轮廓和速度，激光测距雷达的应用领域逐步在拓展，精确测量、导航定位、安全避障，并开始应用于无人驾驶技术，激光扫描雷达是将发射的激光束通过旋转扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。目前三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，水平方向360°，垂直方向可以达到40°，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，如无人驾驶的导航，形状轮廓检测。

目前的三维扫描激光雷达多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间有一定的夹角，垂直发射视场在30-40°，接收模块在对应角度进行接收，每一个接收探测器对应一个发射角度，结构为接收模块和发射模块在两侧对称排布，内部使用反光镜进行光路转折，然后在水平方向旋转实现三维扫描测距，为满足要求需要快速得到扫描测试信息，并且采集更多的特征信息提高点阵像素，多线激光雷达采用控制多个发射二极管在垂直方向顺序发射，同时对应多个发射二极管安装同等数量的接收探测器，造成垂直方向体积增大，功耗散热提高，成本居高不下，制约了多线激光雷达的发展。

实用新型内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本实用新型提供一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达。

为此，本实用新型提供一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，所述扫描模块设置在所述底座上，所述扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位；

所述发射模块和所述接收模块设置在所述扫描模块上，所述接收模块设置在所述发射模块的一侧，所述发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，所述接收模块探测和处理回波，所述发射模块在垂直方向上的扫描视场与所述接收模块在垂直方向上的接收视场相互对应，所述发射模块和所述接收模块固定在所述扫描模块上而且随着所述扫描模块进行旋转运动；

所述控制模块控制所述发射模块的发射、所述接收模块的接收以及所述扫描模块的扫描，而且根据所述发射模块的发射俯仰角度信息、所述扫描模块的水平旋转角度信息以及激光雷达与目标物体之间的相应距离获得待测环境的点云阵列，所述外罩设置在所述发射模块和所述接收模块的外围；

所述接收模块包括接收镜头、导光元件和接收探测器，所述接收镜头包括3或4个透镜，所述导光元件设置在所述接收镜头与所述接收探测器之间，所述导光元件的长度范围为5mm至20mm。

可选的，所述导光元件的前端口设置有狭缝光阑，长度范围为5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。

可选的，所述导光元件的后端口设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为5um至300um。

可选的，所述接收探测器的光敏面表面设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。

可选的，所述发射模块包括至少一个半导体激光器、椭圆柱透镜组、合束镜、棱镜对、微透镜阵列、直角棱镜、MEMS微镜和发射电路，所述椭圆柱透镜组设置在所述半导体激光器的发射出口处，所述MEMS微镜与所述直角棱镜相对设置，所述微透镜阵列和所述棱镜对设置在所述直角棱镜与所述合束镜之间，所述微透镜阵列靠近所述直角棱镜，所述棱镜对靠近所述合束镜。

可选的，所述半导体激光器和所述椭圆柱透镜组同光轴。

可选的，所述接收透镜通过所述导光元件将接收光耦合到所述接收探测器上，所述接收探测器为APD阵列或者MPPC阵列。

可选的，所述导光元件的前端口位于所述接收镜头的像面，所述导光元件的尾端口对准并紧贴所述接收探测器的光敏面表面，所述导光元件的前端口和尾端口的口径比值为所述接收镜头的像面尺寸和所述接收探测器的光敏面尺寸之间的比值，所述导光元件的形状为复合抛物面。

可选的，所述外罩的形状为圆筒。

本实用新型具有下述有益效果：

本实用新型提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，所述扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位，所述发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，所述接收模块探测和处理回波，所述控制模块控制所述发射模块的发射、所述接收模块的接收以及所述扫描模块的扫描，而且根据所述发射模块的发射俯仰角度信息、所述扫描模块的水平旋转角度信息以及激光雷达与目标物体之间的相应距离获得待测环境的点云阵列。本实用新型提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

附图说明

图1为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的具体结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的发射光路示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的接收光路示意图；

图4为本实用新型实施例一提供的导光元件前后端的狭缝光阑示意图；

图5为本实用新型实施例一提供的接收探测器光敏面表面的狭缝光阑示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达进行详细描述。

实施例一

图1为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的具体结构示意图。如图1所示，本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，所述扫描模块设置在所述底座上，所述扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位。所述发射模块和所述接收模块设置在所述扫描模块上，所述接收模块设置在所述发射模块的一侧，所述发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，所述接收模块探测和处理回波，所述发射模块在垂直方向上的扫描视场与所述接收模块在垂直方向上的接收视场相互对应，所述发射模块和所述接收模块固定在所述扫描模块上而且随着所述扫描模块进行旋转运动。本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

参见图1，所述控制模块控制所述发射模块的发射、所述接收模块的接收以及所述扫描模块的扫描，而且根据所述发射模块的发射俯仰角度信息、所述扫描模块的水平旋转角度信息以及激光雷达与目标物体之间的相应距离获得待测环境的点云阵列，所述外罩设置在所述发射模块和所述接收模块的外围。外罩在顶部起保护作用，底座在底部起支撑作用。本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

图2为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的发射光路示意图。如图2所示，所述发射模块包括至少一个半导体激光器、椭圆柱透镜组、合束镜、棱镜对、微透镜阵列、直角棱镜、MEMS微镜和发射电路，所述椭圆柱透镜组设置在所述半导体激光器的发射出口处，所述MEMS微镜与所述直角棱镜相对设置，所述微透镜阵列和所述棱镜对设置在所述直角棱镜与所述合束镜之间，所述微透镜阵列靠近所述直角棱镜，所述棱镜对靠近所述合束镜。所述半导体激光器的扫描激光首先经过椭圆柱透镜组，然后经过合束镜合束，先透过棱镜对，再透过微透镜阵列进行光斑匀化，再由直角棱镜转折光路，最后照射到MEMS微镜上进行扫描发射。

图3为本实用新型实施例一提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的接收光路示意图。如图3所示，所述接收模块包括接收镜头、导光元件和接收探测器，所述接收镜头包括3或4个透镜，所述导光元件设置在所述接收镜头与所述接收探测器之间，所述导光元件的长度范围为5mm至20mm。本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

图4为本实用新型实施例一提供的导光元件前后端的狭缝光阑示意图。如图4所示，所述导光元件的前端口设置有狭缝光阑，长度范围为5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。在实践中，所述导光元件的后端口设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为5um至300um。图5为本实用新型实施例一提供的接收探测器光敏面表面的狭缝光阑示意图。如图5所示，所述接收探测器的光敏面表面设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。

参见图3，所述半导体激光器和所述椭圆柱透镜组同光轴，所述直角棱镜将光斑反射在所述MEMS微镜的中央。所述接收透镜通过所述导光元件将接收光耦合到所述接收探测器上，所述接收探测器为APD阵列或者MPPC阵列。所述导光元件由多根硬光纤组成的元件加工而成，每根所述硬光纤的外面包裹有低折射率的材料，或者所述导光元件由同一种高折射率的透光材料加工而成，其外侧包裹有低折射率的材料。本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

本实施例中，所述导光元件的前端口位于所述接收镜头的像面，所述导光元件的尾端口对准并紧贴所述接收探测器的光敏面表面，所述导光元件的前端口和尾端口的口径比值为所述接收镜头的像面尺寸和所述接收探测器的光敏面尺寸之间的比值，所述导光元件的形状为复合抛物面。所述外罩的形状为圆筒，材质为透过红外光的热塑性塑料，外表面涂有透过发射波长的窄带吸收剂。外罩在顶部起保护作用，底座在底部起支撑作用。

本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，所述扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位，所述发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，所述接收模块探测和处理回波，所述控制模块控制所述发射模块的发射、所述接收模块的接收以及所述扫描模块的扫描，而且根据所述发射模块的发射俯仰角度信息、所述扫描模块的水平旋转角度信息以及激光雷达与目标物体之间的相应距离获得待测环境的点云阵列。所述接收模块包括接收镜头、导光元件和接收探测器，所述接收镜头包括3或4个透镜，所述导光元件设置在所述接收镜头与所述接收探测器之间。本实施例提供的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了激光雷达的体积和重量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，包括底座、扫描模块、控制模块、发射模块和接收模块，所述扫描模块设置在所述底座上，所述扫描模块在水平方向上进行360°旋转扫描，而且提供在水平方向上的角度方位；

所述发射模块和所述接收模块设置在所述扫描模块上，所述接收模块设置在所述发射模块的一侧，所述发射模块在垂直方向上连续扫描发射激光束，所述接收模块探测和处理回波，所述发射模块在垂直方向上的扫描视场与所述接收模块在垂直方向上的接收视场相互对应，所述发射模块和所述接收模块固定在所述扫描模块上而且随着所述扫描模块进行旋转运动；

所述控制模块控制所述发射模块的发射、所述接收模块的接收以及所述扫描模块的扫描，而且根据所述发射模块的发射俯仰角度信息、所述扫描模块的水平旋转角度信息以及激光雷达与目标物体之间的相应距离获得待测环境的点云阵列，所述发射模块和所述接收模块的外围设置有外罩；

所述接收模块包括接收镜头、导光元件和接收探测器，所述接收镜头包括3或4个透镜，所述导光元件设置在所述接收镜头与所述接收探测器之间，所述导光元件的长度范围为5mm至20mm。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述导光元件的前端口设置有狭缝光阑，长度范围为5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述导光元件的后端口设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为5um至300um。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述接收探测器的光敏面表面设置有狭缝光阑，长度范围为0.5mm至20mm，宽度范围为3um至300um。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述发射模块包括椭圆柱透镜组、合束镜、棱镜对、微透镜阵列、直角棱镜、MEMS微镜、发射电路和至少一个半导体激光器，所述椭圆柱透镜组设置在所述半导体激光器的发射出口处，所述MEMS微镜与所述直角棱镜相对设置，所述微透镜阵列和所述棱镜对设置在所述直角棱镜与所述合束镜之间，所述微透镜阵列靠近所述直角棱镜，所述棱镜对靠近所述合束镜。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述半导体激光器和所述椭圆柱透镜组同光轴。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述接收镜头通过所述导光元件将接收光耦合到所述接收探测器上，所述接收探测器为APD阵列或者MPPC阵列。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述导光元件的前端口位于所述接收镜头的像面，所述导光元件的尾端口对准并紧贴所述接收探测器的光敏面表面，所述导光元件的前端口和尾端口的口径比值为所述接收镜头的像面尺寸和所述接收探测器的光敏面尺寸之间的比值，所述导光元件的形状为复合抛物面。

9.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述外罩的形状为圆筒。