本實(shí)用新型屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于微機(jī)電振鏡的激光雷達(dá)光學(xué)裝置和激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，高精度、小體積、低成本的激光雷達(dá)的需求不斷增加，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域和相關(guān)配合領(lǐng)域提出了新的要求和挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)對(duì)其核心光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、空間尺寸、核心光電器件成本提出了更嚴(yán)格的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性的高低會(huì)嚴(yán)重影響激光雷達(dá)的測量精度和使用壽命，體積過大不易于進(jìn)行系統(tǒng)與其他設(shè)備的集成使用，成本過高也不利于激光雷達(dá)的普及推廣。提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、減小空間尺寸及光電器件數(shù)量在一定程度上能夠提高激光雷達(dá)使用壽命及穩(wěn)定性，小型化激光雷達(dá)的同時(shí)能夠降低系統(tǒng)成本。

然而，日前常用的機(jī)械式掃描多線激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，光電器件繁多，這些因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性、使用壽命降低，成本增加的同時(shí)增加了空間尺寸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本實(shí)用新型目要解決的技術(shù)問題是如何提高掃描激光雷達(dá)光學(xué)裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性、簡化結(jié)構(gòu)、延長使用壽命、降低成本。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的提供了一種基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置，包括激光發(fā)射單元、微機(jī)電振鏡、微機(jī)電振鏡控制單元、擴(kuò)角放大單元和光學(xué)接收單元；

所述激光發(fā)射單元發(fā)射激光光束至所述微機(jī)電振鏡；

所述微機(jī)電振鏡將激光光束偏轉(zhuǎn)后反射至擴(kuò)角放大單元；

所述擴(kuò)角放大單元將激光光束擴(kuò)大掃描角度后對(duì)被測物進(jìn)行掃描；

所述擴(kuò)角放大單元將被測物反射的激光光束反射至所述光學(xué)接收單元；

其中，所述微機(jī)電振鏡控制單元用于調(diào)整所述微機(jī)電振鏡的偏轉(zhuǎn)角，使其在互相垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)。

其中，所述激光發(fā)射單元包括激光發(fā)生器和光學(xué)準(zhǔn)直鏡組；

所述激光發(fā)生器與所述光學(xué)準(zhǔn)直鏡組的主光軸重合。

其中，所述激光發(fā)生器包括激光調(diào)制部件和激光發(fā)射部件，所述激光調(diào)制部件用于調(diào)制所述的激光發(fā)射部件產(chǎn)生調(diào)制激光光束。

其中，所述光學(xué)準(zhǔn)直鏡組包括至少一片自由曲面透鏡或至少兩片球面鏡，用于對(duì)入射的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直。

其中，其特征在于，所述光學(xué)準(zhǔn)直鏡組由對(duì)近紅外光有高透過率的材料加工而成。

其中，所述的擴(kuò)角放大單元包括反射鏡和擴(kuò)角鏡，其通過反射原理擴(kuò)大出射光束的掃描角度。

其中，所述光學(xué)接收單元包括接收光學(xué)鏡組和光電探測器；

所述反射鏡、所述接收光學(xué)鏡組和所述光電探測器主軸重合。

其中，所述接收光學(xué)鏡組包括至少2組鏡片，用于將從被測物反射的激光光束經(jīng)所述反射鏡反射后匯聚到所述光電探測器上。

其中，所述反射鏡在接收光學(xué)單元光軸方向上的投影面積不小于所述接收光學(xué)鏡組的有效孔徑。

其中，所述接收光學(xué)鏡組由對(duì)近紅外光有高透過率的材料加工而成。

本實(shí)用新型還提供了一種激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括上述的基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置。

(三)有益效果

本實(shí)用新型所提供的基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置和激光雷達(dá)系統(tǒng)的有益效果是，通過微機(jī)電振鏡控制單元改變微機(jī)電振鏡的偏移角度，從而改變了入射至反射鏡上的激光光束的角度，經(jīng)反射鏡反射的光束進(jìn)入擴(kuò)角放大單元，擴(kuò)角放大單元上反射面與水平方向成漸變角度進(jìn)而擴(kuò)大了激光光束在垂直方向的掃描范圍。相比于采用多線激光機(jī)械式掃描激光雷達(dá)光學(xué)裝置，該裝置中微機(jī)電振鏡的使用提高了掃描激光雷達(dá)光學(xué)裝置的穩(wěn)定性，延長了使用壽命，減小了原器件數(shù)量，降低了成本，縮小了尺寸。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置的激光發(fā)射單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型基于微機(jī)電振鏡的光學(xué)裝置的光學(xué)接收單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記：101-激光發(fā)射單元、102-微機(jī)電振鏡、103-微機(jī)電振鏡控制單元、104-反射鏡、105-擴(kuò)角放大單元、106-被測物、107-光學(xué)接收單元、108-調(diào)制激光光束、1011-激光調(diào)制部件、1012-激光發(fā)射部件、1013-光束準(zhǔn)直鏡組、1071-接收光學(xué)鏡組、1072-光電探測器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，但不能用來限制本實(shí)用新型的范圍。

圖1是本實(shí)用新型提供的一種基于微機(jī)電振鏡激光雷達(dá)光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖1，該基于微機(jī)電振鏡激光雷達(dá)光學(xué)裝置，包括激光發(fā)射單元101、微機(jī)電振鏡102、微機(jī)電振鏡控制單元103、反射鏡104、擴(kuò)角放大單元105、光學(xué)接收單元107。

經(jīng)激光發(fā)射單元101發(fā)射的激光入射至微機(jī)電振鏡102，經(jīng)微機(jī)電振鏡102偏轉(zhuǎn)后的激光光束經(jīng)由反射鏡104反射后入射到擴(kuò)角放大單元105，擴(kuò)角放大單元105對(duì)被測物106進(jìn)行水平、垂直方向掃描。

擴(kuò)角放大單元105包括反射鏡104和擴(kuò)角鏡；所述擴(kuò)角放大單元 105又形成光回路接收被測物106上發(fā)生漫反射的激光，并將反射光束反射至光學(xué)接收單元107。

微機(jī)電振鏡控制單元103用于調(diào)整微機(jī)電振鏡102的偏轉(zhuǎn)角度，使其在互相垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)。

其中，微機(jī)電振鏡是指能夠通過微電子機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)方向的鏡面。微機(jī)電振鏡采用靜電驅(qū)動(dòng)和電容反饋，微機(jī)電振鏡由鏡面、可動(dòng)框架和外框架構(gòu)成，每個(gè)機(jī)構(gòu)均分布了垂直梳齒驅(qū)動(dòng)器。微機(jī)電振鏡可以在外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)下進(jìn)行簡弦振動(dòng)，例如，MEMS振鏡可以通過兩個(gè)垂直方向上的簡諧振動(dòng)合成為李薩如圖形，即激光束掃描的路徑遵循李薩如圖形。

需要說明的是，現(xiàn)有的多線激光雷達(dá)光學(xué)裝置多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)被測物水平方向的掃描，利用多組發(fā)射/接收對(duì)的組合來完成對(duì)被測物垂直方向的掃描。由于電機(jī)在使用過程中容易受外界因素影響，例如，外部沖擊載荷，且電機(jī)使用壽命較短，需經(jīng)常更換，因此使得傳統(tǒng)的以電機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)械式掃描多線激光雷達(dá)穩(wěn)定性差，壽命短。另一方面，使用了多組發(fā)射/接收對(duì)，導(dǎo)致系統(tǒng)器件數(shù)量大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于減小系統(tǒng)體積降低系統(tǒng)成本。

本實(shí)用新型提供的一種基于微機(jī)電振鏡激光雷達(dá)光學(xué)裝置通過微機(jī)電振鏡控制單元改變微機(jī)電振鏡的偏移角度，從而對(duì)入射至微機(jī)電振鏡上的激光光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過特殊設(shè)計(jì)的擴(kuò)角放大單元的反射擴(kuò)大了激光光束的垂直掃描視場，同時(shí)完成了水平方向的掃描。相比與基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械掃描式多線激光雷達(dá)，微機(jī)電振鏡提高了激光雷達(dá)光學(xué)裝置的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。此外，由于使用單組發(fā)射/接收就能實(shí)現(xiàn)垂直方向的掃描，減少了系統(tǒng)光電器件的使用，降低了系統(tǒng)成本減小了系統(tǒng)體積。

如圖2所示，所述激光發(fā)射單元包括激光發(fā)生器和光束準(zhǔn)直鏡組 1013；其中激光發(fā)生器與光束準(zhǔn)直鏡組1013主光軸重合。

所述激光發(fā)生器包括激光調(diào)制部件1011和激光發(fā)射部件1012，激光調(diào)制部件1011產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，用于調(diào)制從所述激光發(fā)射部件 1012出射的激光。經(jīng)過調(diào)制的激光經(jīng)過光束準(zhǔn)直鏡組1013整形后經(jīng)過所述微機(jī)電振鏡102進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，經(jīng)反射鏡104反射后入射到擴(kuò)角放大單元105，經(jīng)由擴(kuò)角放大單元105擴(kuò)大垂直方向掃描角度后對(duì)被測物106進(jìn)行水平、垂直方向掃描。

所述光束準(zhǔn)直鏡組1013至少由一片自由曲面透鏡或至少兩片球面鏡組成，用于對(duì)入射的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直。

所述擴(kuò)角放大單元105是可對(duì)光進(jìn)行反射的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，上反射面角度漸變，用于擴(kuò)大入射激光光束垂直方向掃描角度。

如圖3所示，所述光學(xué)接收單元107包括接收光學(xué)鏡組1071和光電探測器1072。

所述反射鏡104、所述接收光學(xué)鏡組1071和所述光電探測器1072 的主光軸重合。

其中，光電探測器1072位于接收光學(xué)鏡組1071焦平面上。

所述光學(xué)接收系統(tǒng)1071至少由兩組鏡片組成，用于將從所述的反射鏡104反射的光匯聚到所述的光電探測器1072上。

其中，所述反射鏡104在所述光學(xué)接收系統(tǒng)1071主光軸方向上的投影面積不小于所述接收光學(xué)鏡組1071的有效孔徑。所述接收光學(xué)鏡組用于將所述的反射鏡104反射的光線匯聚到光電探測器上。

進(jìn)一步地，所述光束準(zhǔn)直鏡組1013、所述接收光學(xué)鏡組1071均由對(duì)近紅外光有高透過率的材料形成，所述擴(kuò)角放大單元105用于擴(kuò)大調(diào)制激光光束108的垂直方向掃描視場角，并接收被測物106反射的激光。

綜上所述，結(jié)合圖1、圖2和圖3可知，激光調(diào)制部件對(duì)激光發(fā)射部件1012進(jìn)行調(diào)制，激光發(fā)射部件1012發(fā)出調(diào)制激光光束108。調(diào)制激光光束108經(jīng)過光束準(zhǔn)直鏡組1013后被準(zhǔn)直整形。準(zhǔn)直后的調(diào)制激光光束108以一定角度入射到微機(jī)電振鏡102。在微機(jī)電振鏡控制單元的驅(qū)動(dòng)下微機(jī)電振鏡102發(fā)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)制激光光束108隨微機(jī)電振鏡102偏轉(zhuǎn)并通過反射鏡104入射到擴(kuò)角放大單元105。調(diào)制激光光束108經(jīng)由反射鏡104入射到擴(kuò)角放大單元105后，經(jīng)擴(kuò)角放大單元105內(nèi)部反射后擴(kuò)大了調(diào)制激光光束108垂直方向的掃描角度，對(duì)被測物106進(jìn)行垂直、水平方向的掃描。

不同角度的漫反射光束再經(jīng)由擴(kuò)角放大單元105、反射鏡104反射進(jìn)入接收光學(xué)鏡組1071，接收光學(xué)鏡組1071將漫反射光束匯聚到光電探測器1072。

在上述激光雷達(dá)光學(xué)裝置的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還提供了一種激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括以上實(shí)施例中所述的基于微機(jī)電振鏡的激光雷達(dá)光學(xué)裝置。

本實(shí)用新型提供的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括了以上實(shí)施例中的基于微機(jī)電振鏡的激光雷達(dá)光學(xué)裝置，該裝置通過微機(jī)電振鏡控制單元改變微機(jī)電振鏡的偏移角度，從而對(duì)入射至微機(jī)電振鏡上的激光進(jìn)行角度的偏移，通過擴(kuò)角放大單元擴(kuò)大光束垂直方向掃描視場角。同時(shí)，在通過擴(kuò)角放大單元、反射鏡及接收光學(xué)鏡組將反射光匯聚于光電探測器，從而使用單組發(fā)射/接收對(duì)完成被測物垂直、水平方向的掃描。相比于傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的利用多組發(fā)射/接收對(duì)完成垂直方向掃描的機(jī)械式掃描激光雷達(dá)簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了光電器件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及使用壽命，減小了系統(tǒng)尺寸降低了成本。

以上實(shí)施方式僅用于說明本實(shí)用新型，而非對(duì)本實(shí)用新型的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。