CN220983495U - 一种基于mems镜阵的扫描模组和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS镜阵的扫描模组和激光雷达，所述扫描模组包括光信号交换模块、光发射模块以及光接收模块，所述扫描模组通对所述光信号交换模块的改善了所述扫描模组的通光孔径，增加了光源发光面积，增加光源功率，提高扫描距离和质量。另外，通过对所述光发射模块中出光结构的设计，实现了光源在平面内任意位置垂直出光，避免出光点位于边缘时受到边缘应力和温度效应的影响，提高了扫描模组的分辨率和可靠性，还降低了整体结构设计的复杂程度，提高了空间的利用率。

Description

一种基于MEMS镜阵的扫描模组和激光雷达

技术领域

本实用新型涉及雷达设备技术领域，尤其涉及一种基于MEMS镜阵的扫描模组和激光雷达。

背景技术

LiDAR(Light Detection and Ranging)技术是一种基于激光光束的远距离测距和三维模型构建技术。它的原理是通过向目标发射激光脉冲，然后测量光脉冲从目标反射回来所需的时间来计算目标物体与LiDAR传感器之间的距离。通过在不同的方向上扫描激光束，LiDAR系统可以获取目标物体的三维坐标信息，从而创建其高分辨率的三维模型。在自动驾驶汽车领域，LiDAR是关键的感知器件之一。它能够提供高精度的距离测量，帮助汽车系统实时感知周围环境，检测障碍物、车辆和行人，以确保安全驾驶。同时，LiDAR还能够创建高分辨率的地图，帮助车辆精确定位和导航，从而实现自动驾驶。

MEMS镜阵的出现为激光雷达系统带来了新的机会和改进。MEMS镜阵具有快速响应、高精度和紧凑的特点，使其成为用于激光束控制和扫描的理想选择。传统的机械扫描系统往往存在惯性和机械部件磨损的问题，而MEMS镜阵可以在微秒级别内快速调整激光光束的方向，从而提高了数据采集的速度和精度。其次，MEMS镜阵的紧凑设计使LiDAR传感器更加轻便和节省空间。这对于集成到小型无人机、移动机器人和便携式LiDAR系统中尤为重要，有助于拓宽了LiDAR技术的应用范围，使其更具灵活性。MEMS镜阵的制造技术不断进步，降低了成本，并提高了可靠性。这使得LiDAR系统更加经济实惠，有助于推动大规模采用该技术，进一步拓展了其市场潜力。

目前，MEMS激光雷达存在问题包括镜面尺寸受限、可靠性挑战以及缺乏足够的小型化和集成化。这主要因为现有的MEMS振镜的镜面尺寸小，限制了光源的尺寸和功率，导致探测距离受到限制，同时存在可靠性问题，而且器件体积大，集成度不足。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种基于MEMS镜阵的扫描模组和激光雷达，突破了现有MEMS镜阵尺寸对激光雷达光源功率、位置出光方向以及通光孔径的限制，从而实现基于MEMS镜阵的激光雷达可以实现远距离、高精度、高可靠性以及高集成化。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于MEMS镜阵的扫描模组，所述扫描模组包括光信号交换模块、光发射模块以及光接收模块，其特征在于：所述光发射模块用于向所述光信号交换模块发射第一光子，所述光发射模块经构造成以垂直于所述光发射模块所在表面的方式向所述光信号交换模块出射第一光子；所述光信号交换模块包括至少一个光交换单元，所述光交换单元经配置成组成所述光信号交换模块的最小子单元，所述光交换单元包括至少一个MEMS微镜列，所述微镜列经构造成绕自身中心轴线俯仰以突出所述光交换单元表面，所述光交换单元经构造成绕自身中心轴线旋转，其中，所述镜列中心轴线与所述光交换单元中心轴线互相垂直；所述光接收模块用于接收第二光子并转换为第一电信号以获得目标的位置信息，所述第二光子由所述第一光子照射在所述目标后漫反射获得，其中，所述第二光子由所述镜列反射进入所述光接收模块。

优选地，所述微镜列沿其自身中心轴线包括多个反光镜，所述多个反光镜连接成一个整体或一体制成一个整体。

优选地，所述光发射模块经构造成由至少一个VCSEL封装形式的光源组成发光阵列。

优选地，所述光发射模块包括PCB板以及设置在所述PCB板上的至少两个衬底块和至少一个芯片，单个所述芯片的两侧由两个所述衬底块夹持以获得供电，以使得所述芯片发射所述第一光子的出光方向垂直于所述PCB板，通过上述构型能够将光源设置在所述PCB板的任意位置处配合所述光交换单元以提高通光孔径，扩大所述扫描模组发光面积。

优选地，所述光交换单元经配置成：以静电式驱动绕其自身中心轴线旋转，所述光交换单元以近气密封的方式封装，通过上述构型能够减少所述扫描模组的部件，提高部件的可靠性，通过近气密封的方式能够防止空气中的灰尘、水汽等污染腐蚀MEMS微镜列，提高了可靠性，还能够节省成本，简化封装工艺。

优选地，全部所述微镜列通过非线性耦合自动同步，通过物理谐振的方式保证同步精度。

优选地，所述光发射模块还包括第一光束准直组件，所述第一光束准直组件用于将所述第一光子整形成点光斑或者线光斑。

优选地，所述扫描模组还包括光学镜器件，所述光学镜器件用于调节所述第一光子和所述第二光子的路径，所述光发射模块和所述光接收模块对称地设置在所述光学镜器件的两侧。通过上述构型，能够改变光子的传输路径，从而调节所述扫描模组的构型设置，改变部件布局以增强所述扫描模组对应用场景的适应性以及可靠性。

优选地，所述光交换单元经构造为单边边长大于10mm。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括上述任一项所述的扫描模组。

本实用新型实施例提供了一种基于MEMS镜阵的扫描模组和激光雷达，所述扫描模组通过对微镜列的定制化改变所述扫描模组的通光孔径，增加了光源发光面积，增加光源功率，提高扫描距离和质量，另外，通过对光源出光结构的设计，实现了光源在平面内任意位置垂直出光，避免出光电位于边缘时受到边缘应力和温度效应的影响，提高了扫描模组的分辨率和可靠性，还降低了整体结构设计的复杂程度，提高了空间的利用率。

附图说明

图1为本实用新型的实施例中一种扫描模组的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例中光发射模块的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例中光交换单元的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例扫描模组对第一光子的处理结果示意图；

图5为本实用新型的另一实施例中光信号交换模块的结构示意图；

图6为本实用新型的另一实施例中具有光学镜器件的扫描模组的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

现有技术中，MEMS振镜的镜面尺寸相对较小，这主要是受到尺寸效应的限制，因为目前工业上能够大规模生产的MEMS镜面通常仅能维持在数毫米的尺寸范围内，这一限制对于激光雷达系统来说，具有重要的影响，因为它直接影响到光源的尺寸、功率以及雷达探测质量，小尺寸的光源会限制激光雷达系统的发射功率，从而限制了其在远距离目标探测方面的性能。此外，由于MEMS振镜的尺寸限制，激光雷达系统的发射和接收模组的有效通光孔径也受到了限制，这会导致探测距离受到限制，尤其在复杂环境下的目标检测方面存在挑战，同时，由于MEMS振镜的镜面尺寸小，配合的光源种类受限，当光源的光斑较大时，会出现在入射光和初设光之间发生相互串扰或衍射的现象导致探测质量受到影响。另外，双轴MEMS振镜通常被安置在PCB板的边缘位置，其激光发射方向与PCB板平行，PCB板边缘位置通常存在较大的残余应力以及工作温度影响激光波长的情况，这些因素可能导致激光光源的指向性发生变化，并且降低其寿命，从而影响MEMS振镜的稳定性和可靠性，上述构型不仅影响了激光雷达系统的精确度和性能，特别是在恶劣环境下运行时还可能导致系统在长期使用中的可靠性问题。并且，MEMS激光雷达技术在小型化和集成化方面还有改进的空间，由于需要对发射光斑进行整形和接收光斑进行处理，目前的MEMS激光雷达系统通常需要使用多种不同的器件和组件，这导致了系统体积较大，不够紧凑。此外，由于激光发射模组通常位于PCB板的边缘位置，这对PCB板的设计造成了限制，导致了高度空间利用不足和集成度不够的问题。基于此，本实用新型公开了一种基于MEMS镜阵的扫描模组，参见附图1，其示出了所述扫描模组的结构示意图，所述扫描模组100包括光发射模块1、光信号交换模块2以及光接收模块3，所述光发射模块1向所述光信号交换模块2出射光子，光子在离开所述光信号交换模块2后在被扫描目标表面进行漫反射后回到所述光信号交换模块2完成所表征信息的交换，光子继续经所述光信号交换模块2反射离开后被所述光接收模块3捕获，所述光信号交换模块2将光子转换为电信号获得点云分布和距离信息，其中，所述光发射模块1与所述光接收模块3关于所述光信号交换模块2对称地，位于所述光信号交换模块2的同一侧。

所述光发射模块1用于向所述光信号交换模块2发射第一光子，所述第一光子由所述光发射模块1出射至所述光信号交换模块2，所述光发射模块1以垂直于自身所在平面的方式出射所述第一光子，在本实用新型的示例中，参见附图2，其示出了本实用新型实施例中的所述光发射模块1的示意图，所述光发射模块1包括PCB板11以及设置在所述PCB板11上的两个衬底块12和一个芯片13，所述芯片13由两个衬底块12夹持以从所述PCB板11获得供电，所述衬底块12通过焊接或导电胶粘接的形式与所述PCB板11电连接，所述芯片13与所述衬底块12通过焊接、导电胶粘接或抵接的形式建立电连接，同时，所述芯片13由两个衬底块12保持成出光方向垂直于所述PCB板11。当为了扩大光源的功率所述光发射模块1包括更多个芯片13时，相应地，每一个芯片13均由两个衬底块12夹持成出光方向垂直于所述PCB板11的形式。在本实用新型的另一个实施例中，所述光发射模块1为多个VCSEL封装形式的光源以串联或者串联加并联的形式阵列组成的发光阵列，上述发光阵列以垂直发射光子的形式将第一光子发射至所述光信号交换模块2，示例性的，单个所述VCSEL光源采用顶发射的结构，通过MOCVD技术在n型GaAs衬底上生长获得，以DBR作为激光腔镜，量子阱有源区夹设在n-DBR和p-DBR之间，通过上述VCSEL的简易封装形式，能够轻松地形成二维激光阵列。

通过上述构型能够将发光芯片13设置在所述PCB板11的任意位置处，保证了所述光发射模块1的设计自由度，同时将芯片13和衬底块12构成的基本发光单元设置在远离所述PCB板11边缘的位置，能够防止所述基本发光单元受到集中在所述PCB板11边缘的应力，还能够防止激光波长受到温度的影响，从而提高了所述扫描模组100的可靠性、质量和使用寿命。需要注意的是，相邻两个芯片13可以通过同一个衬底块12获得供电，参见附图2，示例性地，相邻的两个芯片13由三个衬底块12夹持以获得供电，从而进一步增强所述光发射模块1的设计多样性和可定制性。

所述光信号交换模块2用于接收和反射光子，所述第一光子离开所述光发射模块1后由所述光信号交换模块2接收，所述第一光子被所述光信号交换模块2反射，随后离开所述光信号交换模块2以移动至所述扫描模组100的目标扫描区域。所述光信号交换模块2包括至少一个光交换单元20，所述交换单元20经构造成大尺寸，所述光交换单元20为用于组成所述光信号交换模块2的最小子单元，参见附图1，在该实施例中所述光信号交换模块2包括一个所述光交换单元20，参见附图3，其示出了本实用新型实施例的大尺寸光交换单元20的结构示意图，所述光交换单元20外形呈矩形，所述光交换单元20包括封装底板层、大尺寸MEMS振镜层以及玻璃封盖，所述玻璃封盖以胶层密封的近气密性封装方式将所述大尺寸振镜层密封在所述底板层之中。优选地，所述大尺寸振镜层经构造成单边边长大于10mm。

参见附图1，所述底板层具有第一边a和第二边b，在本实用新型的一个实施例中，所述第一边a为较长边，所述大尺寸振镜层包括至少一个MEMS微镜列201，所述微镜列201的沿着所述第一边a的长度方向延伸直至所述微镜列201与所述第一边a的长度相等，上述至少一个MEMS微镜列201沿着所述第二边b的长度方向相互平行的排列在所述底板层的表面上组成所述大尺寸振镜层，所述微镜列201整体用于反射光子，从而增加了所述光交换单元20的有效光处理面积。在本实用新型的另一个实施例中，所述光交换单元20外形构造为正方形。

所述微镜列201用于接收和反射光子，所述第一光子由所述光发射模块1抵达所述光信号交换模块2时，所述第一光子透过所述玻璃层照射在所述微镜列201上并发发生反射，所述微镜列201经构造成能够绕自身中心轴线俯仰，即所述微镜列201在竖直平面内做高频往复的俯仰运动，具体地，当第一光子照射在所述微镜列201上时，所述微镜列201做高频往复的俯仰运动，所述微镜列201的两个长边交替地突出所述大尺寸振镜层所在的平面从而将所述第一光子处理成一个短线光斑或点光斑，所述短线光斑的高度由所述微镜列201的俯仰程度决定，优选地所述微镜列201的俯仰角度为30°。

伴随所述微镜列201的俯仰运动，所述光交换单元20绕自身中心轴线做高频旋转，即所述底板层绕自身中心轴线做高频旋转，所述光交换单元20的中心轴线与所述第二边b的长度方向平行，即所述光交换单元20在水平面内做往复地高频旋转运动，优选地，所述光交换单元20的旋转角度为120°。参见附图4，结合所述微镜列201的俯仰运动，所述光交换单元20将所述第一光子处理为空间中的面光斑，通过上述面光斑能够覆盖处于目标区域中的目标物的表面，以使得所述第一光子在所述目标物表面进行漫反射。在附图1中，所述第一边a的长度方向为水平方向，所述第二边b的长度方向为竖直方向，需要注意的是，第一边a和第二边b的方向可以互换，具体地，参见附图5，其示出了相较于附图1所述第一边a和第二边b方向互换之后的效果示意图，以及在该构型下所述第一光子在目标表面所形成的面光斑。

在本实用新型另一实施例中，所述光信号交换模块2包括多个光交换单元20时，多个所述光交换单元20拼接在一起，不同光交换单元20中长度方向相同的各个微镜列201收尾相连。

在本实用新型的上述实施例中，当光源采用VCSEL的封装形式时，其所发出的第一光子的光斑较大，在上述所述光交换单元20中，由于微镜列201的镜面尺寸大，其能够完全接受并反射VCSEL封装形式的光源出射的所有光线，防止串扰和或衍射的情况发生，保证镜列和VCSEL封装形式光源的配合，从而提高所述扫描模组的扫描质量。

当所述第一光子在所述目标物表面进行漫反射后转变为第二光子，所述第二光子离开所述目标物的表面后被所述光交换单元20捕获，所述光交换单元20对所述第二光子进行与所述第一光子相同的光程处理，处理后的所述第二光子进入所述光接收模块3，所述光接收模块3包括光学接收镜头、光电转换单元和处理单元，所述第二光子经过所述光学接收镜头后被校准，然后被所述光电转换单元接收并转换为第一电信号，所述第一电信号经过所述处理单元后转变为用于表征目标信息的点云图。

本实用新型的扫描模组100通过采用包括至少一个微镜列201的光交换单元20作为组成光信号交换模块2最小单位，增大了光交换的作用面，同时还通过调节光发射模块1上光源的出射方向从而改变光源的排布设计，通过上述设计方式增大了光源排布的自由度，使得上述扫描模组100的发光面积和功率获得成倍的增加，提高了光发射和接受的通光孔径，基于此，实现了扫描模组100的远距离、高精度、高可靠性和高集成化。

在本实用新型另一实施例中，所述微镜列201沿自身长度方向包括多个反光镜，多个所述反光镜同步地作俯仰运动能够保证所述微镜列201的高同步性，进一步地，多个所述反光镜一体制成形成一个微镜列201，从而进一步增强所述光交换单元20对光子处理的同步性。

在本实用新型的实施例中，所述光交换单元20中微镜列201的驱动方式采用静电驱动，通过带电导体间的静电作用力实现驱动，其具有功耗低、速度快、兼容性好的优点，通过静电驱动多个微镜列201以非线性耦合的方式自动同步运动，通过物理谐振的方式保证光交换单元20的光处理一致性，从而提高扫描模组100的有效通光面积。

在本实用新型的实施例中，所述光发射模块1包括第一光束准直组件14，所述第一光束准直组件14包括但不限于FAC、SAC或微透镜阵列。所述第一光束准直组件14设置在所述光发射模块1与所述光信号交换模块2之间，用于将所述光发射模块1中出射的光整形成点光斑或线光斑，保证第一光子的光束外形能够被所述光交换单元20准确、完整地反射，从而提高所述扫描模组100的扫描精度和质量。

在本实用新型另一实施例中，所述扫描模组100还包括光学镜器件4，通过所述光学镜器件4能够改变第一光子和第二光子的光程，从而调节光发射模块1和所述光学镜器件4设置在所述扫描模组100的空间位置，从而改变所述扫描模组100的布局以提高部件的集成度。参见附图6，其示出了本实用新型的另一实施例中扫描模组100的示意图，其中，所述光学镜器件4为角锥棱镜。

基于上述任意实施例描述的扫描模组100，本实用新型还提供一种激光雷达，所述激光雷达.包括上述任一实施例中所描述的扫描模组100，所述激光雷达中包括控制电路，所述控制电路驱动所述光发射模块1中的光源发射激光束，所述激光束经过光束准直组件转换为点光斑和/或短线光斑，所述激光雷达还包括控制器，所述控制器控制光信号交换模块2中的光交换单元20开始振动，形成二维的面光斑进行二维扫描，光接收模块3接收经过目标物表面漫反射的光信号并将其转换为电信号，基于上述的电信号获得所述目标物的点云分布和距离信息。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于MEMS镜阵的扫描模组，所述扫描模组包括光信号交换模块、光发射模块以及光接收模块，其特征在于：

所述光发射模块用于向所述光信号交换模块发射第一光子，所述光发射模块经构造成以垂直于所述光发射模块所在表面的方式向所述光信号交换模块出射第一光子；

所述光信号交换模块包括至少一个光交换单元，所述光交换单元经配置成组成所述光信号交换模块的最小子单元，所述光交换单元包括至少一个MEMS微镜列，所述微镜列经构造成绕自身中心轴线俯仰以突出所述光交换单元表面，所述光交换单元经构造成绕自身中心轴线旋转，其中，所述镜列中心轴线与所述光交换单元中心轴线互相垂直；

所述光接收模块用于接收第二光子并转换为第一电信号以获得目标的位置信息，所述第二光子由所述第一光子照射在所述目标后漫反射获得，其中，所述第二光子由所述镜列反射进入所述光接收模块。

2.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述微镜列沿其自身中心轴线包括多个反光镜，所述多个反光镜连接成一个整体或一体制成一个整体。

3.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述光发射模块经构造成由至少一个VCSEL封装形式的光源组成发光阵列。

4.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述光发射模块包括PCB板以及设置在所述PCB板上的至少两个衬底块和至少一个芯片，单个所述芯片的两侧由两个所述衬底块夹持以获得供电，以使得所述芯片发射所述第一光子的出光方向垂直于所述PCB板。

5.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述光交换单元经配置成：以静电式驱动绕其自身中心轴线旋转，所述光交换单元以近气密封的方式封装。

6.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，全部所述微镜列通过非线性耦合自动同步。

7.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述光发射模块还包括第一光束准直组件，所述第一光束准直组件用于将所述第一光子整形成点光斑或者线光斑。

8.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述扫描模组还包括光学镜器件，所述光学镜器件用于调节所述第一光子和所述第二光子的路径，所述光发射模块和所述光接收模块对称地设置在所述光学镜器件的两侧。

9.根据权利要求1所述的扫描模组，其特征在于，所述光交换单元经构造为单边边长大于10mm。

10.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括权利要求1至9任一项所述的扫描模组。