一种MEMS激光雷达光准直环扫装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达扫描技术领域，尤其涉及一种MEMS激光雷达光准直环扫装置及方法。

背景技术

近年来大视场的激光雷达对自动驾驶有非常大作用，常用实现大视场的激光雷达的方法包括了通过多个小视场激光雷达进行拼接，比如通过3个120度视场的激光雷达拼接一个360度的雷达，这种方法结构复杂，每个小视场的激光雷都包含了很多光学元件，结构非常复杂。

另一类是通过旋转反射镜，来实现大视场环扫的，这种方法是典型的机械扫描式雷达，反射镜体积大，扫描速度比较慢，且对寿命有影响。使用微机电系统(以下简称MEMS)作为扫描元件，进行环扫可以克服上述两种雷达的不足。

与现有技术相对比【专利：202110333307.3】，该技术的MEMS激光雷达使用了折反射棱镜件和补偿棱镜，补偿棱镜需要通过一个高速旋转的机构同MEMS一起运动，这又产生了和机械扫描式雷达同样的问题，此外，折反射棱镜使用了平面和1个锥面，各进行了1次反射，其中在平面上反射不满足全反射，实现反射需要镀膜来实现。

为了解决现有雷达的这些不足，本发明使用了一种MEMS激光雷达光准直环扫装置及方法，特别是发明了第一准直单元和第二准直单元，该方法无需旋转光学元件，扫描速度快，光效率高，使用的光学元件数量少，有效地解决了现有大视场激光雷达的不足。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有MEMS激光雷达存在需要补偿棱镜，实现反射需要镀膜来实现的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种MEMS激光雷达光准直环扫装置及方法，其目的在于：以更少的机械结构实现雷达环扫。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种MEMS激光雷达光准直环扫装置，该装置包括第一准直单元，其包括对称设置的第一锥面和第二锥面，所述第一锥面和第二锥面靠近几何中心处开设有透光孔，所述第一锥面和第二锥面远离所述透光孔一侧设置有外侧面，第二准直单元，包括与所述外侧面相配合的光线汇聚面与校准面；微机电系统，配合设置于所述透光孔一侧，所述微机电系统与所述透光孔之间的直线区段为第一区段；以及，弱会聚单元，配合设置于所述透光孔背离所述微机电系统一侧。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫装置的一种优选方案，其中：所述第一区段垂直的平面为水平面，所述第一锥面与所述水平面构成第一夹角，所述第二锥面与所述水平面构成第二夹角，所述微机电系统与所述水平面构成第三夹角。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫装置的一种优选方案，其中：所述第一夹角与所述第三夹角满足于关系式：

其中，n为所述第一锥面所属光学元件采用的材料的光线折射率，所述第二夹角与所述第三夹角满足于关系式：

A2＝A3

为进一步控制激光光束出射方式为水平出射，需要控制所述第一夹角A1与所述第三夹角满足于关系式：

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫装置的一种优选方案，其中：所述第一区段上还设置有向所述第一准直单元发射激光的激光器，所述激光行进路径沿所述弱会聚单元穿过所述透光孔，到达所述微机电系统。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫装置的一种优选方案，其中：所述激光行进方向上还设置有深孔光阑，所述深孔光阑配合设置于所述弱会聚单元背离所述透光孔侧。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫装置的一种优选方案，其中：所述透光孔的直径小于所述微机电系统的对角线长度，所述激光的光束口径小于所述微机电系统的对角线长度；所述激光器设置于所述弱会聚单元的前焦点外侧，其竖直距离为L，1mm≤L≤5mm。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种MEMS激光雷达光准直环扫方法，其目的在于通过操作上述装置进而产生准直射出的激光。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种MEMS激光雷达光准直环扫方法，采用上述的光准直环扫装置，还包括如下步骤：

确定合适的实验参数，包括选定所述第一锥面和第二锥面所属光学元件的材料；

依据选定的材料计算所述第一夹角、第二夹角、第三夹角的大小，再计算出所述第一锥面、第二锥面的曲率；

根据所述激光穿过所述透光孔到达所述微机电系统时的水平方向发散情况，设定所述深孔光阑的光孔大小，经过深孔光阑对大角度的光阑进行拦截；

根据所述激光由所述微机电系统反射到达所述第一锥面时的水平方向发散情况，设定所述弱会聚单元的透镜曲率，实现对所述激光水平方向上发散光的汇聚，以此实现激光到达所述第一锥面发生水平发散后的补偿；

根据所述激光穿过所述第一准直单元到达所述第二准直单元时的竖直方向发散情况，设定所述光线汇聚面的透镜曲率，实现对所述激光竖直方向上发散光的汇聚；

调节所述校准面，提供激光在一次拦截，两次汇聚后的到达位置，以取得最佳环绕扫描效果。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫方法的一种优选方案，其中：调节所述第三夹角与所述第二夹角的关系，使得所述激光能在到达所述第二锥面时发生透射。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫方法的一种优选方案，其中：调节所述第三夹角与第一夹角的关系，使得激光能在到达所述第一锥面时发生全反射。

作为本发明所述MEMS激光雷达光准直环扫方法的一种优选方案，其中：调节过程中，先粗调所述微机电系统与水平面的第三夹角，使得所述激光到达所述第二准直单元，并确定所述第二准直单元的竖直高度，为所述激光提供行进载体；

再通过微调所述第一夹角、第二夹角，实现所述激光穿过所述第一准直单元后的方向与水平方向平行，并配合所述第二准直单元来确定所述激光处于准直状态。

本发明的有益效果：

本发明利用第一锥面和第二锥面的角度关系以及设置第二准直单元，以实现激光在竖直方向、水平方向上的汇聚，使激光保持准直并水平发出，以较少的机械结构实现雷达环扫。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的角度关系示意图。

图2为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的部分结构示意图。

图3为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的第一准直单元结构示意图。

图4为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的深孔光阑与弱会聚单元结构示意图。

图5为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的整体结构示意图。

图6为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置中激光在装置内部行进过程示意图。

图7为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置第二单元示意图

图8为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置正视图下的激光行进路径及准直效果。

图9为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置俯视图下的激光行进路径及准直效果。

图10为本发明MEMS激光雷达光准直环扫装置的简化装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1～图5，为本发明第一个实施例，提供了一种MEMS激光雷达光准直环扫装置，此装置包括第一准直单元100，包括对称设置的第一锥面101和第二锥面102，第一锥面101和第二锥面102靠近几何中心处开设有透光孔103，第一锥面101和第二锥面102远离透光孔103一侧设置有外侧面104。

第二准直单元200，包括与外侧面104相配合的光线汇聚面201与校准面202；微机电系统300，配合设置于透光孔103一侧，微机电系统300与透光孔103之间的直线区段为第一区段Q；以及，弱会聚单元400，配合设置于透光孔103背离微机电系统300一侧，第一区段Q上还设置有向第一准直单元100发射激光X的激光器500。

第一单元100，第二单元200，以及弱会聚单元400都是旋转对称的结构，可以由图1的截面轮廓绕中心轴线旋转得到如图5所示的3D结构图。

其中，微机电系统300可在调试好的程序驱动下实现以第一区段Q所在中心线为旋转轴进行旋转，以微机电系统300的旋转和第一单元100配合，实现激光光束在水平方向扫描。

其中，微机电系统300可在调试好的程序中实现以第一区段Q所在直线为轴发生旋转，第一准直单元100为激光X提供反射，以微机电系统300的自转和第一准直单元100配合，实现激光X在穿过透光孔103后由微机电系统300提供光束扫描，扫描光束经过第二准直单元200出射的光束，打到周围物体后经过反射到探测器，形成点云，以实现激光雷达探测。

使用过程中，还设置有与第一准直单元100相配合的第二准直单元200，第二准直单元200环绕设置在第一准直单元100的外侧，无论微机电系统300进行何角度偏转，第二准直单元200均能对由微机电系统300反射的激光X进一步汇聚，以实现更好的光束准直效果，此时射线探测距离更远，雷达分辨率更高。

本实施例中，为实现以更少的材料实现更精确的探测效果和更长久的装置寿命，对第一锥面101、第二锥面102、微机电系统300之间的角度关系做出以下限制：

第一区段Q垂直的平面为水平面M，第一锥面101与水平面M构成第一夹角A1，第二锥面102与水平面M构成第二夹角A2，微机电系统300与水平面M构成第三夹角A3。

第一夹角A1与第三夹角A3满足于关系式：

其中，n为第一锥面101所属光学元件采用的材料的光线折射率，第二夹角A2与第三夹角A3满足于关系式：

A2＝A3

激光器500设置于弱会聚单元400的前焦点外侧，其竖直距离为L，1mm≤L≤5mm，(由于该尺寸过小，图例中并未标出，以实际弱会聚单元400的前焦点为基准点设定激光器500的位置)。

通过以上限制，以实现以下激光X行进路径：

在激光X传播至微机电系统300路径上，激光X受到弱会聚单元400的影响发生第一次会聚，在到达微机电系统300的反射表面后，由微机电系统300某一时刻的自转方向决定，激光X到达第二锥面102靠近微机电系统300的一侧。

此时，由于第二夹角A2与第三夹角A3满足于关系式：

A2＝A3

在激光X到达第二锥面102时，激光X与第二锥面102相垂直，激光X透射进入第一准直单元100内部，光路方向几乎不发生改变，以该方向入射光束透过率最高。激光束通过第二锥面102并入射到第一锥面101，此时，由于(1)第一准直单元100的光折射率大于外界；(2)第一夹角A1与第三夹角A3满足于关系式：

激光光束到达第一锥面101时的入射角满足第一锥面101对激光光束发生全反射。为进一步控制激光光束出射方式为水平出射，需要控制第一夹角A1与第三夹角A3满足于关系式：

本实施例中，通过合理控制上述的几个角度，激光X进入第二锥面102，光束与第二锥面102几乎垂直，光束透过率最高，激光X入射到第一锥面101，发生了全反射，光束反射率最高，并且这个高反射率不需镀高反光学膜来实现，并且，激光X以水平方式出射。在基于同样的MEMS激光环扫原理上，本装置不会有溢出光，以更少的机械结构实现激光X环扫效果。

实施例2

参照图5～图8，为本发明的第二个实施例，本实施例旨在对该装置的准直效益做出进一步补充说明，激光雷达为了实现远距离探测，需要最后输出激光束具有非常好的准直性。而激光器特别是激光雷达里面常用的垂直腔面激光器(VCSEL)发散角都比较大，所以要对激光器输出激光进行准直，本发明中使用了第一单元深孔光阑105和弱会聚单元400减小激光发散角。

这里面不是把激光束完全准直，而是要保持一定的微小会聚角度。当激光束通过第二锥面102和第一锥面101时，由于锥面在水平方向有曲率，当完全准直的激光束通过锥面时候，水平方向光束就有了一定的发散角，因此需要在激光束到达锥面前通过弱会聚单元对激光进行会聚。

如图6所示，其左侧为激光X在装置内部行进过程的3D视图，右侧为该过程的主视图。从3D视图可以看出，如果是完全准直光束通过第二锥面102，然后再经过第一锥面101反射，光束在水平方向会有明显发散，而在竖直方向依然保持了准直性，为了解决这一问题，就用弱会聚单元补充第一锥面101面引起的水平方向的发散。

这样，经过弱会聚单元400补偿后，光束经过第一锥面101面反射后，水平方向就变的准直了。从图6右侧的主视图可以看出，完全准直的光束经过第一锥面101面反射后，在竖直方向上不产生任何发散或会聚，这说明了第一锥面101面只影响光束在水平方向的发散或会聚，而不影响竖直方向的发散或会聚。

引进弱会聚单元之后，光束经过弱会聚单元，开始有了一定会聚，经过传播一段光程会聚到一个很小的光斑，继续传播光束就开始发散了。第一锥面101面只影响光束在水平方向的发散或会聚而不影响竖直方向的发散或会聚，这样光束从弱会聚单元400传播到第一锥面101，已经传播比较长的光程，光束在竖直方向就有一定的发散了。

针对尚未解决的激光光束在竖直方向上的发散，环绕设置在第一单元100外侧的第二单元200，其包括光线会聚面201和第二单元外侧面202，光线会聚面201在竖直方向有曲率，通过光线会聚面201实现激光光束在竖直方向上的会聚。激光束通过弱会聚单元400，第二锥面102和第一锥面101，在竖直方向先会聚，然后再发散开，通过会聚面201对竖直方向的发散进行了补偿，从而实现了竖直方向激光的准直，第二单元外侧面202实现激光光束向外传导。

图7中，上面的图为第二单元200的主视图，下面的图为第二单元200的俯视图，从俯视图可以看出第二单元200的会聚面201和第二单元外侧面202这两个面水平方向的曲率半径分别为R

从主视图上可以看出第二单元200的会聚面201和第二单元外侧面202这两个面竖直方向的曲率半径分别为R

激光束从第一单元104外侧面出射，水平方向保持了很好的准直性，在竖直方向由于弱会聚单元400影响，激光光束经过长光程后产生了发散，因此第二单元200仅为激光光束提供竖直方向上的会聚，以弥补弱会聚单元400对激光光束经过长光程后产生的发散，从而使竖直方向也准直。最后激光束从第二单元202面出射后，在两个方向都具有了很好的准直性。

为实现激光光束更好的准直效果，提供配合设置位于弱会聚单元400背离透光孔103侧的深孔光阑105，以实现对由激光器500发出的较大角度激光光束直接吸收，为使装置更加合理，激光光束传播路径上，透光孔103的直径小于微机电系统300的对角线长度，激光光束的光束口径小于微机电系统300的对角线长度。

本实施例中，弱会聚系统可以是球面透镜，非球面透镜，或者球面透镜组(2-4片)，非球面透镜组(2-4片)，也可以是球面与非球面混合的透镜组(2-4片)。深孔光阑内、外表面都涂成黑色，用于吸收激光器出射的大角度的光。

其余结构与实施例1的结构相同。

实施例3

结合附图1～10，本发明的第三个实施例，提出了一种MEMS激光雷达光准直环扫方法，该成像方法采用上述的光准直环扫装置，还包括如下步骤：

确定合适的实验参数，包括选定第一锥面101和第二锥面102以及103和第一单元外侧面104所构成的锥形透镜材料，常用的材料一般是玻璃或塑料，确定锥形透镜边缘厚度，最大口径。

选定微机电系统与水平面的角度A3，该角度通常为5-8度，这样可以确定第1夹角A1的范围。

再根据控制激光束水平出射的条件如下式，确定第1夹角A1

依据下式计算出第二夹角A2的取值范围，

A 2＝A3

基于上述条件可以确定第一锥面101和第二锥面102以及103和第一单元外侧面104所构成的锥形透镜。

根据激光X穿过透光孔103到达微机电系统300时的水平方向发散情况，设定深孔光阑105的光孔大小，通过深孔光阑105对大角度的光阑进行拦截；

根据激光X由微机电系统300反射到达第一锥面101时的水平方向发散情况，优化弱会聚单元400的透镜曲率，实现对激光X水平方向上发散光的汇聚，以此补偿激光X到达第一锥面101发生水平发散；

微调第一锥面101、第二锥面102的曲率，以实现激光X水平方向准直发出，调节第三夹角A3与第二夹角A2的关系，使得激光X能在到达第二锥面102时发生透射，

调节第三夹角A3与第一夹角A1的关系，使得激光X能在到达第一锥面101时发生全反射。

根据激光X穿过第一准直单元100到达第二准直单元200时的竖直方向发散情况，设定光线汇聚面201的透镜曲率，实现对激光X竖直方向上发散光的汇聚；

调节校准面202，提供激光X在一次拦截，两次汇聚后的到达位置，以取得最佳环绕扫描效果。

调节过程中，先粗调微机电系统300与水平面的第三夹角A3，使得激光X到达第二准直单元200，并确定第二准直单元200的竖直高度，为激光X提供行进载体；

再通过微调第一夹角A1、第二夹角A2，实现激光X穿过第一准直单元100后的方向与水平方向平行，并配合第二准直单元200来确定激光X处于准直状态。

结合图例1～10，通过关注激光X的行进路径，了解装置的结构和取得的有益效果，为便于叙述，规定第一区段Q所在方向为垂直方向，并以激光器500所处位置为上方，微机电系统300所处位置为下方，激光X由方向朝下的激光器500向下打出，首先到达深孔光阑105，深孔光阑105对大角度的光阑进行拦截，此时，激光X到达弱会聚单元400，由弱会聚单元400对激光X进行汇聚，保持激光X准直。

微机电系统300由软件部分控制，进行以第一区段Q所在直线为轴发生旋转，在某一时刻，激光X到达微机电系统300并反射，到达第二锥面102下表面，由于激光X与第二锥面102相垂直，激光X透射进入第一准直单元100内部既以原入射角度到达第一锥面101，激光X到达第一锥面101时的入射角足够满足第一锥面101对激光X发生全反射，并且激光X出射方式为水平出射。

此时激光X到达第二准直单元200，由光线汇聚面201再一次对激光X进行汇聚，保持激光X准直，此时激光X穿过校准面202准直向外打出，在动态过程中，微机电系统300进行以第一区段Q所在直线为轴发生旋转，激光X到达位置跟随微机电系统300旋转而发生改变，经过第二准直单元200出射的光束，打到周围物体后经过反射到探测器，形成点云，以实现激光雷达探测。

此过程中，针对激光X在到达第一锥面101发生的水平方向的发散，以弱会聚单元400对激光X提前进行汇聚，以实现激光X在到达第一锥面101时的发散补偿，以实现激光X水平方向准直发出。

其中，如果是完全准直光束通过第二锥面102，然后再经过第一锥面101反射，光束在水平方向会有明显发散，而在竖直方向依然保持了准直性，为了解决这一问题，就用弱会聚单元补充第一锥面101面引起的水平方向的发散。这样经过弱会聚单元400补偿后，光束经过第一锥面101面反射，后水平方向就变的准直了。

其中，完全准直的光束经过第一锥面101面反射后，在竖直方向上不产生任何发散或会聚，这说明了第一锥面101面只影响光束在水平方向的发散或会聚而不影响竖直方向的发散或会聚。引进弱会聚单元之后，光束经过弱会聚单元后，开始有了一定会聚，经过传播一段光程会聚到一个很小的光斑，继续传播光束就开始发散了。第一锥面101面只影响光束在水平方向的发散或会聚而不影响竖直方向的发散或会聚，这样光束从弱会聚单元400传播到第一锥面101，已经传播比较长的光程，光束在竖直方向就有一定的发散了。

针对尚未解决的激光光束在竖直方向上的发散，环绕设置在第一单元100外侧的第二单元200，其包括光线会聚面201和第二单元外侧面202，光线会聚面201在竖直方向有曲率，通过光线会聚面201实现激光光束在竖直方向上的会聚。激光束通过弱会聚单元400，第二锥面102和第一锥面101，在竖直方向先会聚于一条线，然后再发散开，通过会聚面201对竖直方向的发散进行了补偿，从而实现了竖直方向激光的准直，第二单元外侧面202实现激光光束向外传导。

激光束从第一单元104外侧面出射，水平方向保持了很好的准直性，在竖直方向由于弱会聚单元400影响，激光光束经过长光程后产生了发散，因此第二单元200仅为激光光束提供竖直方向上的会聚，以弥补弱会聚单元400对激光光束经过长光程后产生的发散，从而使竖直方向也准直。最后激光束从第二单元202面出射后，在两个方向都具有了很好的准直性。

该系统在扫描过程中只需要MEMS进行转动来实现了对周围360度扫描，整个系统没有任何光学元件需要进行旋转，该系统体积小，结构简单，使用寿命长，材质轻，实现旋转扫描难度较小。

另一方面，以第一锥面101和第二锥面102的角度设定，实现激光光束可以高透过率透射过第二锥面102，以及在第一锥面101发生了全反射，不需要对锥面101进行镀膜，简少了镀膜这道工序，而且只需要一次透射和一次反射激光束就可以通过第一单元的外侧面水平出射，反射和折射次数少，光效率高。

在MEMS激光雷达中，为保持激光的准直，设置弱会聚单元400、第二准直单元200实现激光发散的汇聚，弱会聚单元400、第二准直单元200相互配合，以实现激光X在竖直方向、水平方向上保持准直并水平发出。

为了进一步简化装置，可以将第一单元的双锥形透镜与第二单元整合在一起，如图10所示。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。