一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法与流程

1.本发明涉及光学技术领域，具体来讲，涉及一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法。


背景技术：

2.光学扫描系统主要包括发射光束的光源和光束偏转单元，可以偏转光源发射的光束并使之按顺序地落在预定的扫描线或面上，主要应用在激光打印机、激光焊接机、激光打标机、激光雕刻机、高速摄像机、投影仪、电影放映机、激光雷达等装置中。
3.光束偏转单元根据光束扫描方式的不同主要有机械式、微机电系统(memes)式和光学相控阵(opa，opticalphasedarray)式。
4.在机械式或mems式扫描中，一般而言单自由度的运动仅能实现一维的光学扫描，例如通过光源的旋转或往复运动、反射镜的旋转或往复运动等可以实现光束在一定角度范围内的线性一维扫描；两个自由度的运动才能实现二维的光学扫描，例如通过两个反射镜分别旋转或往复运动的两级反射、mems光学振镜等可以实现光束在一定空间范围内的二维扫描。但是目前二维机械扫描方法中总伴随着非平衡的往复运动，例如一定角度范围内的往复摆动，这样的结构往往可靠性较差，且寿命较短。此外，采用mems光学振镜方案还有收光孔径受限的问题，在某些需要接收回波信号的应用中，例如激光雷达，则无法获得较高的信噪比，从而无法获得较远的探测距离。
5.在opa式扫描中，通过调节发光阵列中每个发射单元的相位差来改变光束的出射角度。光学相控阵一般都是通过电信号对其相位进行严格的控制实现光束指向扫描，因此也可以称为电子扫描技术。但该技术目前远未成熟，且由于功率受限也无法满足远距离的要求。


技术实现要素：

6.基于上述问题，本发明旨在提供一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法，其主要优点有：1)仅使用单自由度的旋转即可实现二维光学扫描，大大简化系统结构，降低了复杂度；2)单自由度旋转为匀速时，整个扫描系统是处于平衡态，可靠性较高且寿命较长；3) 在需要接收回波信号的应用中，该扫描方法可以实现同轴发射和回收光束，且收光孔径远大于mems光学振镜方案。
7.根据本发明的第一个实施例，提供了一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法，包括光学发射单元和光学反射单元，其中：光学发射单元包括用于产生出射光的光源，所述出射光沿发射路径传输并经光学反射单元反射；光学反射单元包括多面反射镜，多面反射镜可以绕着主轴旋转，将所述出射光朝向周围环境引导。
8.根据本发明的第一个实施例，所述光学发射单元包括用于产生出射光的光源，可射出多种波长的自然光或激光。
9.优选地，所述激光发射单元包括发射透镜，用于准直由光源产生的出射光。发射透
镜能够准直由光源产生的出射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小出射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。
10.根据本发明的第一个实施例，所述光学反射单元包括一个由n 个面组成的多面反射镜，其每个反射面和旋转轴的相对角度都不相同，所述多面反射镜绕着固定的轴旋转，入射光束以一定角度射向所述多面反射镜后被反射到空间的不同方向，实现二维光学扫描。在一周360
°
内可以实现对光束的多次扫描，次数等于反射镜的面数n，扫描图样为n条扫描线。
11.根据本发明的第二个实施例，提供了一种激光雷达，包括激光发射单元、激光传输单元和激光接收单元，其中：激光发射单元包括用于产生出射光的激光光源，所述出射光沿发射路径传输并穿过激光传输单元；激光传输单元包括分光镜、多面反射镜和聚焦透镜，将所述出射光朝向周围环境引导，并收集周围环境的一个或多个对象反射的反射光且将所述反射光沿接收路径朝向激光接收单元引导；其中多面反射镜可以绕着主轴旋转；激光接收单元包括激光检测器，所述激光检测器被配置为检测沿接收路径传输的反射光；其中在所述激光传输单元中，所述出射光的发射路径和所述反射光的接收路径至少部分地重合。
12.根据本发明的第二个实施例，所述激光发射单元包括用于产生出射光的激光光源，可射出多种波长的激光，例如905nm或1550nm。优选地，所述激光发射单元使用波长为1550nm的激光，1550nm的探测器使用铟镓砷化合物等材料，而不是硅。它的优势是人眼中的液体在1550nm波段下是不透明的，因此光线无法到达眼睛后部的视网膜。这意味着激光可以在更高的功率水平下工作从而提高激光探测距离，而不会对眼睛造成安全风险。
13.根据本发明的第二个实施例，所述激光传输单元包括一个分光镜，所述分光镜可使来自激光发射单元的出射光部分地通过，而将周围环境中的一个或多个对象反射的反射光沿接收路径部分地反射后朝向激光接收单元引导。由此，出射光的发射路径和反射光的接收路径完全同轴设置，这有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
14.根据本发明的第二个实施例，所述激光传输单元包括有n个面组成多面反射镜扫描结构，其每个反射面和旋转轴的相对角度都不相同，所述多面反射镜绕着固定的轴旋转，入射激光以一定角度射向所述多面反射镜后被反射到空间的不同方向，实现二维激光扫描。在一周360
°
内可以实现对激光的多次扫描，次数等于反射镜的面数n，扫描图样为n条扫描线。
15.优选地，n的数值在4或5，n的数值会影响所述激光雷达的水平(绕n面镜转轴的转动方向的可探测角度)可探测角度。在n面镜的周向间隔角度均匀的情况下，n＝4时，单个激光雷达的最大可探测角度为180
°
；n＝5时，单个激光雷达的可探测角度为144
°
。合理设置多个所述激光雷达协同工作即可实现360
°
的检测。
16.根据本发明的第二个实施例，所述激光接收单元包括激光检测器，用于将接收到的反射光转换为电信号，从而获得该光束所经过的距离信息。所述激光检测器可以为硅或者铟镓砷的雪崩光电二极管 (apd)、光电二极管(pin)、单光子探测器(spad)，硅apd用于检测905nm激光，铟镓砷apd用于检测1550nm激光。优选地，所述激光检测器为铟镓砷apd，如前文所述，1550nm激光的选用可以使激光在更高功率水平下工作从而提高激光探测距离。
17.优选地，所述激光发射单元包括发射透镜，用于准直由激光光源产生的出射光，
和/或所述激光接收单元包括接收透镜，用于聚焦来自外界对象的反射光。发射透镜能够准直由激光光源产生的出射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小出射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。接收透镜能够聚焦反射光的光学倍率，以减小所述反射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度，从而实现更有效的检测。
18.根据本发明的第三个实施例，提供了一种激光雷达，包括激光发射单元、激光传输单元和激光接收单元，其中：激光发射单元包括用于产生出射光的激光光源，所述出射光沿发射路径传输并穿过激光传输单元；激光传输单元包括分光镜、多面反射镜和聚焦透镜，将所述出射光朝向周围环境引导，并收集周围环境的一个或多个对象反射的反射光且将所述反射光沿接收路径朝向激光接收单元引导；其中多面反射镜可以绕着主轴旋转；激光接收单元包括激光检测器，所述激光检测器被配置为检测沿接收路径传输的反射光；其中在所述激光传输单元中，所述出射光的发射路径和所述反射光的接收路径至少部分地重合。
19.根据本发明的第三个实施例，所述激光发射单元包括用于产生出射光的激光光源，可射出多种波长的激光，例如905nm或1550nm，且出射激光为在某一个方向上具有一定发散角的线形激光，且所述方向和多面反射镜的旋转轴在同一平面内。优选地，所述激光发射单元使用波长为1550nm的激光。
20.根据本发明的第三个实施例，所述激光传输单元包括一个分光镜，所述分光镜可使来自激光发射单元的出射光部分地通过，而将周围环境中的一个或多个对象反射的反射光沿接收路径部分地反射后朝向激光接收单元引导。由此，出射光的发射路径和反射光的接收路径基本同轴设置，这有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
21.根据本发明的第三个实施例，所述激光传输单元包括有n个面组成多面反射镜扫描结构，其每个反射面和旋转轴的相对角度都不相同，所述多面反射镜绕着固定的轴旋转，入射线形激光以一定角度射向所述多面反射镜后被反射到空间的不同方向，实现二维激光扫描。在一周360
°
内可以实现对线形激光的多次扫描，次数等于反射镜的面数n，扫描图样为n条具有一定宽度的扫描带，合理设计入射线形激光的发散角以及多面反射镜每个面和旋转轴的相对角度，可以使得 n条扫描带没有间隙地连接成一整个扫描面。
22.优选地，n的数值在4或5，n的数值会影响所述激光雷达的水平(绕n面镜转轴的转动方向的可探测角度)可探测角度。在n面镜的周向间隔角度均匀的情况下，n＝4时，单个激光雷达的最大可探测角度为180
°
；n＝5时，单个激光雷达的可探测角度为144
°
。合理设置多个所述激光雷达协同工作即可实现360
°
的检测。
23.优选地，出射激光的发散角在5-60度之间，发散角的数值会影响所述激光雷达的竖直可探测角度。在n条扫描带依次连接的情况下，所述激光雷达的竖直可探测角度等于出射激光的发散角乘以n。
24.根据本发明的第三个实施例，所述激光接收单元包括激光检测器，用于将接收到的反射光转换为电信号，从而获得该光束所经过的距离信息。所述激光检测器可以为硅或者铟镓砷雪崩光电二极管 (apd)线阵，包含m个apd单元，和前文所述线形激光配合，一次即可获得m个点的距离信息。
25.优选地，所述激光接收单元包括接收透镜，用于聚焦来自外界对象的反射光。接收
透镜可具有能够聚焦反射光的光学倍率，以减小所述出射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度，从而实现更有效的检测。
附图说明
26.图1示出了根据本发明的一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法；其中，1-激光发射单元、2-多面反射镜、l1-发射路径、r1
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多面反射镜转轴旋转方向。
27.图2示出了根据本发明的第二个实施例中激光雷达的光路结构；其中，1-激光发射单元、2-分光镜、3-多面反射镜、4-激光接收单元、 l1-发射路径、l2-接收路径、r1-多面反射镜转轴旋转方向。
28.图3示出了根据本发明的第三个实施例中激光雷达的光路结构；其中，1-激光发射单元、2-分光镜、3-多面反射镜、4-激光接收单元、 l1-发射路径、l2-接收路径、r1-多面反射镜转轴旋转方向。
具体实施方式：
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
30.图1示出了根据本发明的方法实施的一种单自由度旋转实现二维光学扫描的方法。
31.在本发明的第一个示例性实施例中，主要包括光学发射单元1、和光学反射单元-多面反射镜2。光学发射单元1连续发出特定波长的光，所述出射光经由多面反射镜3的反射射向外部。
32.光学发射单元1包括光源，例如发光二极管(led)、激光驱动器、激光二极管等，以沿着发射路径l1产生出射光。根据本发明的第一个示例性实施例，led发出连续白光。
33.根据本发明的第一个实施例，光学反射单元包括多面反射镜2，其可在一个或多个方向上改变出射光的空间取向，以实现光束的二维扫描。根据本发明的一个示例性实施例，所述多面反射镜2可为四面反射镜，每一个面相对转轴的角度都不相同，例如可以分别为 12度、 6度、-6度和-12度，该多面反射镜可围绕转轴以一定的速度(例如 200转/秒)旋转，每个面的反射可以在水平方向上改变出射光的空间取向，而不同的面可以在竖直方向上改变出射光的空间取向。由此，可以产生在四条在水平方向左右扫描的一维扫描光，水平扫描角度为
±
180
°
，四条扫描光之间等距分布。由此，可以将一维扫描光进一步转换为二维扫描光，从而在一定空间范围内实现了二维光学扫描。
34.图2示出了根据本发明的方法第二个实施例中的激光雷达的光路结构。所述激光雷达用于获取机动车辆的周围环境的点阵数据。机动车辆的处理器(例如车载计算机)可以接收该点阵数据，并进行分析和处理，从而实现其特定功能，获得车辆的周围环境的情况，借此输出特定的控制策略，控制车辆进行转向、变速、启停等功能，从而实现无需驾驶员介入的智能驾驶。
35.在本发明的第二个示例性实施例中，激光雷达可包括激光发射单元1、激光传输单元-分光镜2和多面反射镜3，以及激光接收单元4。激光发射单元1连续发出脉冲形式的出射光，所述出射光经由激光传输单元-分光镜2和多面反射镜3进入机动车辆的周围环境。出射光投射至周围环境中的对象的反射表面处，并产生反射光。反射光经由激光传输单元-多面
反射镜激3和分光镜2回到激光雷达内部，由激光接收单元4接收并检测。通过测算发出激光脉冲与接收到反射光脉冲之间的时间差
△
t，即可获得反射表面的距离d＝c
·
△
t/2(c为光速)。
36.激光发射单元1包括激光光源，其例如包括激光驱动器和激光二极管，以沿着发射路径l1产生出射光，发射路径l1在图中以实线示出。根据本发明的第二个示例性实施例，激光器以特定频率(例如， 125khz)连续发出脉冲形式的激光。根据本发明的第二个示例性实施例，激光光源产生具有大约1550nm的波长的出射光。
37.根据本发明的第二个实施例，激光传输单元包括多面反射镜3，其可在一个或多个方向上改变出射光的空间取向，以实现对周围环境的扫描。根据本发明的第二个示例性实施例，所述多面反射镜3可为四面反射镜，每一个面相对转轴的角度都不相同，例如可以分别为 12 度、 6度、-6度和-12度，该多面反射镜可围绕转轴以一定的速度(例如200转/秒)旋转，每个面的反射可以在水平方向上改变出射光的空间取向，而不同的面可以在竖直方向上改变出射光的空间取向。由此，可以产生在四条在水平方向左右扫描的一维扫描光，水平扫描角度为
±
180
°
，四条扫描光之间等距分布。由此，仅使用单自由度的旋转和单个激光光源，即获得了四线激光雷达，可以在一定空间范围内实现对周围环境的探测与测量。
38.空间取向被改变的出射光继而沿发射路径l1离开激光传输单元进入周围环境，在周围环境的一个或多个对象的反射表面处发生漫反射。来自周围环境的反射光部分地沿着接收路径l2返回激光传输单元，接收路径l2在图中以虚线示出，所述激光传输单元进而将所述反射光沿着接收路径l2朝向激光接收单元4引导。具体地，激光传输单元的多面反射镜3和分光镜2可改变来自所述反射光的空间取向并将反射光沿接收路径l2朝向激光接收单元4引导。
39.由图1可见，在激光传输单元中，所述出射光的发射路径l1和所述反射光的接收路径l2至少部分地重合。由于这样的光路结构设计，激光传输单元可提供发射路径l1和接收路径l2的共用空间，从而激光雷达的外形尺寸、制造成本可被进一步压缩。此外，出射光的发射路径l1和反射光的接收路径在激光传输单元中基本同轴设置，有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
40.激光接收单元4包括激光检测器，用于接收并检测由周围环境的一个或多个物体反射的沿着接收路径l2传输的反射光。激光检测器例如为雪崩光电二极管(apd)。替换地，激光检测器可以是任何能将所接收的光信号转换成电信号的光学传感器。
41.由于出射光在一个或多个物体的反射表面处发生漫反射，沿着接收路径l2传输的反射光可具有较大的发散度。为使更多的反射光到达激光检测器，激光接收单元4可包括具有光学倍率的接收透镜，用于聚焦反射光，减小反射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。有利地，接收透镜被设计为使得反射光聚焦在激光接收单元4的激光检测器处。
42.激光雷达包括主电路板p0，主电路板p0上可承载处理器、存储器、i/o接口等电学部件。激光光源电连接至激光器电路板p1，激光器电路板p1上承载的电路适于驱动激光光源。激光检测器电连接至检测器电路板p2，检测器电路板p2上承载的电路适于接收和传输来自检测器的输出信号。激光器电路板p1和检测器电路板p2二者彼此平行设置，并在同一侧垂直端接至主电路板p0，主电路板p0可以与激光器电路板p1、检测器电路板p2电连接，由
此，处理器可以控制激光光源脉冲发光，并且处理来自检测器的输出信号，产生并输出表征周围环境的点阵数据。
43.图3示出了根据本发明的方法第三个实施例中激光雷达的光路结构。所述激光雷达用于获取机动车辆的周围环境的点阵数据。机动车辆的处理器(例如车载计算机)可以接收该点阵数据，并进行分析和处理，从而实现其特定功能，获得车辆的周围环境的情况，借此输出特定的控制策略，控制车辆进行转向、变速、启停等功能，从而实现无需驾驶员介入的智能驾驶。
44.在本发明的第三个示例性实施例中，激光雷达可包括激光发射单元1、激光传输单元-分光镜2和多面反射镜3，以及激光接收单元4。激光发射单元1连续发出脉冲形式的出射光，所述出射光经由激光传输单元-分光镜2和多面反射镜3进入机动车辆的周围环境。出射光投射至周围环境中的对象的反射表面处，并产生反射光。反射光经由激光传输单元-多面反射镜3和分光镜2回到激光雷达内部，由激光接收单元4接收并检测。通过测算发出激光脉冲与接收到反射光脉冲之间的时间差
△
t，即可获得反射表面的距离d＝c
·
△
t/2(c为光速)。
45.激光发射单元1包括激光光源，其例如包括激光驱动器和激光二极管，并沿着发射路径l1产生具有一定发散角的线形激光出射光，发射路径l1在图中以实线示出。根据本发明的第三个示例性实施例，激光器以特定频率(例如，125khz)连续发出在一个方向上具有12 度发散角的脉冲形式的激光，并将该方向调整至和多面反射镜3旋转轴同一平面内。根据本发明的一个示例性实施例，激光光源产生具有大约1550nm的波长的出射光。
46.根据本发明的一个实施例，激光传输单元包括多面反射镜3，其可在一个或多个方向上改变出射光的空间取向，以实现对周围环境的扫描。根据本发明的一个示例性实施例，所述多面反射镜3可为四面反射镜，每一个面相对转轴的角度都不相同，例如可以分别为 12度、 6度、-6度和-12度，该多面反射镜可围绕转轴以一定的速度(例如 200转/秒)旋转，每个面的反射可以在水平方向上改变出射光的空间取向，而不同的面可以在竖直方向上改变出射光的空间取向。由此，可以产生在四条在水平方向扫描的发散角均为12度的激光扫描带，水平扫描角度为
±
180
°
，四条扫描带之间依次连接，竖直扫描角度为
±
24
°
。由此，仅使用单自由度的旋转和单个激光光源即可实现激光的二维面扫，从而在一定空间范围内实现对周围环境的探测与测量。
47.空间取向被改变的出射光继而沿发射路径l1离开激光传输单元进入周围环境，在周围环境的一个或多个对象的反射表面处发生漫反射。来自周围环境的反射光部分地沿着接收路径l2返回激光传输单元，接收路径l2在图中以虚线示出，所述激光传输单元进而将所述反射光沿着接收路径l2朝向激光接收单元4引导。具体地，激光传输单元的多面反射镜3和分光镜2可改变来自所述反射光的空间取向并将反射光沿接收路径l2朝向激光接收单元4引导。
48.由图1可见，在激光传输单元中，所述出射光的发射路径l1和所述反射光的接收路径l2至少部分地重合。由于这样的光路结构设计，激光传输单元可提供发射路径l1和接收路径l2的共用空间，从而激光雷达的外形尺寸、制造成本可被进一步压缩。此外，出射光的发射路径l1和反射光的接收路径在激光传输单元中基本同轴设置，有助于消除旁轴光路中存在的光学误差，提高激光测距的精度，并简化结构设计。
49.激光接收单元4包括激光检测器，用于接收并检测由周围环境的一个或多个物体反射的沿着接收路径l2传输的反射光。所述激光检测器可以为硅或者铟镓砷雪崩光电二极管(apd)线阵，包含m个 apd单元，例如128线铟镓砷apd阵列，和前文所述线形激光配合，一次即可获得128个点的距离信息。替换地，激光检测器可以是任何能将所接收的光信号转换成电信号的光学传感器。
50.由于出射光在一个或多个物体的反射表面处发生漫反射，沿着接收路径l2传输的反射光可具有较大的发散度。为使更多的反射光到达激光检测器，激光接收单元4可包括具有光学倍率的接收透镜，用于聚焦反射光，减小反射光的发散度，即减小反射光在其光束截面的第一方向上和第二方向上的宽度。有利地，接收透镜被设计为使得反射光聚焦在激光接收单元4的激光检测器处。
51.激光雷达包括主电路板p0，主电路板p0上可承载处理器、存储器、i/o接口等电学部件。激光光源电连接至激光器电路板p1，激光器电路板p1上承载的电路适于驱动激光光源。激光检测器电连接至检测器电路板p2，检测器电路板p2上承载的电路适于接收和传输来自检测器的输出信号。激光器电路板p1和检测器电路板p2二者彼此平行设置，并在同一侧垂直端接至主电路板p0，主电路板p0可以与激光器电路板p1、检测器电路板p2电连接，由此，处理器可以控制激光光源脉冲发光，并且处理来自检测器的输出信号，产生并输出表征周围环境的点阵数据。
52.本发明的进一步特征可以在权利要求、附图和附图的说明中发现。以上在说明书中提到的特征和特征组合以及进一步在附图说明和 /或单独在附图中所示的特征和特征组合不仅用于分别指出的组合，还用在其他组合或单独使用，而不违背本发明的范围。在图中没有明确显示且解释、但是通过单独的特征组合从被解释细节呈现且可被产生的本发明的细节由此成为被包括和被披露的。因此，不具有原始形成的独立权利要求的所有特征的细节和特征组合也应被视为被披露的。