一种大角度收发同步激光雷达光学系统的制作方法

1.本发明属于激光雷达光学系统领域，涉及一种大角度收发同步激光雷达光学系统。


背景技术：

2.利用激光雷达实现测距及三维成像的方式有以下几种：1、传统机械式旋转扫描，通过机械装置带动激光雷达产生360
°
旋转；此类系统存在外形尺寸大，时间长会磨损严重的问题；2、全固态扫描(如光学相控阵)，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变发射角度；此类系统存在核心器件成本太高的问题；3、mems(微机电系统)的混合固态扫描可做成一维或二维mems扫描振镜扫描面，仅一束激光便可实现整个探测面的扫描，因其体积小成本低成为现在研究的热点。
3.mems扫描振镜是一种基于微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)技术制作而成的微小可驱动反射镜。镜面直径通常只有几毫米。与传统的光学扫描镜相比，具有重量轻，体积小，易于大批量生产，生产成本较低的优点。在光学，机械性能和功耗方面表现更为突出。
4.mems激光雷达可通过一维mems扫描振镜实现单方向的点光斑或者线光斑实现线或者面的扫描，或者通过二维mems扫描振镜直接实现面扫描。但是不可否认，mems扫描振镜本身也存在着一些无法忽视的缺点：mems扫描振镜的动态响应以及固有谐振频率与mems扫描振镜的加工制作方式以及镜片尺寸等都有关系。镜片尺寸越大，则mems扫描振镜的转动惯量也越大，谐振频率会随之降低。
5.谐振频率决定了激光雷达的测试帧率和刷新率，频率越高意味着刷新率越高，精确的信息细节可以被探测；扫描角度决定了激光雷达探测信号的视场范围，角度越大可获得更多有效信号；mems扫描振镜镜片尺寸面积决定了激光雷达的发射光能量。常规情况mems扫描振镜在雷达中的作用本质上是一个扫描反射镜，激光发射光斑需要经过mems扫描振镜表面的反射后向目标物发射能量，如果mems扫描振镜反射面尺寸过小，更多能量会无法被反射面反射，导致出光能量的损失，而发射光能量直接决定了激光雷达的探测距离。扫描角度、谐振频率和镜面尺寸三者相互制约，无法兼得，一般根据雷达性能的侧重点来进行重点倾向性参数分配。如常规扫描角度在60度的mems扫描振镜扫描面直径一般都是3mm以下，扫描频率约khz。所以，要想得到大扫描角度，大接收面积和高谐振频率的mems扫描振镜常规情况下是无法实现的，这也是mems激光雷达一直存在的问题。


技术实现要素：

6.针对由于mems扫描振镜无法兼容大扫描角度、高谐振频率和大接收面积而导致mems激光雷达无法兼容大探测视场、高探测帧率和远距离探测的问题，本发明提出一种大角度收发同步激光雷达光学系统。
7.本发明的构思是：
8.将激光发射芯片和光电探测器响应芯片植入到扫描元件表面，扫描元件是可以实现谐振扫描的任何元器件，如mems扫描振镜。无论是一维还是二维mems扫描振镜均可。在mems扫描振镜控制电路中加入激光发射芯片和光电探测器响应芯片控制电路，在控制mems扫描振镜振动的同时控制激光发射芯片发射激光与光电探测器响应芯片接受信号的响应，激光发射光光源不需要经过mems扫描振镜表面反射出光，即mems扫描振镜不再扮演扫描反射镜的作用。激光发射芯片可直接跟随mems扫描振镜扫描出光，同时外部设置扩角度光学系统或进行视场拼接将小角度扫描整形为广角扫描发射，以此来弱化mems扫描振镜面积尺寸对扫描谐振频率和扫描角度的制约。
9.本发明的技术方案是提供一种大角度收发同步激光雷达光学系统，其特殊之处在于，包括扫描模块、电路集成控制模块及扩角度光学系统模块；
10.扫描模块包括扫描元件及植入扫描元件表面的激光发射芯片与光电探测器响应芯片；
11.电路集成控制模块包括扫描元件驱动控制电路、激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路；扫描元件驱动控制电路用于控制扫描元件按设定振幅与设定频率做简谐振动；激光发射驱动电路与激光发射芯片电连接，用于控制激光发射芯片发光；探测器信号接收控制电路与光电探测器响应芯片电连接，用于控制光电探测器响应芯片接收被测物体反射的回波信号并实现光电转化；
12.扩角度光学系统模块位于扫描模块的出射光路中，用于对扫描角度进行扩角，向被测物体投射大角度扫描激光，还用于将被测物体反射的回波信号汇聚到扫描元件表面的光电探测器响应芯片。扩角度光学系统模块在mems扫描振镜封装加工后固有的扫描角度的基础上进行角度的数倍扩大，弱化mems扫描振镜本身扫描角度的制约，实现激光雷达的大视场角探测；由于扩角度光学模组镜片尺寸比较大，激光发射芯片与光电探测器响应芯片均位于扩角光学透镜组光轴附近区域，具体为光电探测器响应芯片位于扩角度光学模组镜片光轴正中心位置，激光发射芯片位于光电探测器芯片偏上位置。同时扩角度光学系统模块将出光光斑打到物体后，回波能量通过扩角光学系统汇聚到mems扫描振镜表面的光电探测器响应芯片，后由光电探测器响应芯片接收进行信号处理，实现激光雷达回波信号的探测。
13.进一步地，所述扫描元件为mems扫描振镜。
14.进一步地，激光发射芯片与光电探测器响应芯片实际使用尺寸都在um量级，mems扫描振镜面积大于激光发射芯片与光电探测器响应芯片实际使用尺寸之和。
15.进一步地，激光发射芯片为ld脉冲发光芯片、直流发光芯片或其他可调制激光发光芯片，激光发射芯片通过焊接植入mems扫描振镜表面。
16.进一步地，光电探测器响应芯片包为雪崩光电二极管(avalanche photondiode，简称apd)、单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，简称spad)、多像素光子探测器(mppc)或pin光电二极管；光电探测器响应芯片通过焊接植入mems扫描振镜表面。
17.进一步地，为了保证出射光的准直性，提高出光能量与探测距离，该大角度收发同步mems激光雷达光学系统还包括激光光源整形模块，激光光源整形模块包括微型快慢轴柱面镜或微型圆透镜，贴于激光发射芯片外表面或位于mems扫描振镜模块的出射光路中，实现对激光发射光源的快慢轴整形。
18.进一步地，扩角度光学系统模块包括扩角度透镜组，扩角度透镜组包括沿光路依次设置的凸透镜组与凹透镜，凸透镜组接收mems扫描振镜的角度入射，将其进行部分收敛，后经过凹透镜的发散将角度进行扩大。
19.进一步地，激光发射驱动电路通过激光发射芯片通路飞线与激光发射芯片电连接；探测器信号接收控制电路通过光电探测器响应芯片通路飞线与光电探测器响应芯片电连接。
20.本发明还提供另一种大角度收发同步激光雷达光学系统，其特殊之处在于，包括n个扫描模块及与其一一对应的n个电路集成控制模块；其中n为大于等于2的正整数；
21.每个扫描模块均包括扫描元件及植入扫描元件表面的激光发射芯片与光电探测器响应芯片；激光发射芯片与光电探测器响应芯片跟随扫描元件同步扫描；n个扫描元件模块按设定排列方式排列，保证相邻扫描元件的扫描角度交接部分重合，实现扫描元件扫描视场的拼接；
22.每个电路集成控制模块均包括扫描元件驱动控制电路、激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路；扫描元件驱动控制电路用于控制相应扫描元件按设定振幅与设定频率做简谐振动；激光发射驱动电路与相应激光发射芯片电连接，用于控制相应激光发射芯片发光；探测器信号接收控制电路与相应光电探测器响应芯片电连接，用于控制相应光电探测器响应芯片接收被测物体反射的回波信号并实现光电转化。
23.进一步地，上述扫描元件为mems扫描振镜。
24.进一步地，上述激光发射芯片与光电探测器响应芯片实际使用尺寸都在um量级，mems扫描振镜面积大于激光发射芯片与光电探测器响应芯片实际使用尺寸之和。
25.进一步地，上述激光发射芯片为ld脉冲发光芯片、直流发光芯片或其他可调制激光发光芯片；激光发射芯片通过焊接植入mems扫描振镜表面。
26.进一步地，上述光电探测器响应芯片包为雪崩光电二极管(avalanche photondiode，简称apd)、单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，简称spad)、多像素光子探测器(mppc)或pin光电二极管；光电探测器响应芯片通过焊接植入mems扫描振镜表面。
27.进一步地，为保证出射光束的准直性，该大角度收发同步mems激光雷达光学系统还包括n个微型整形光学元件和接收元件，微型整形光学元件为微型柱面镜或者圆透镜，分别装配在每个激光发射芯片外表面，接收元件为微型聚光透镜，分别装配在每个光电探测器响应芯片外表面。
28.进一步地，上述激光发射驱动电路通过激光发射芯片通路飞线与激光发射芯片电连接；探测器信号接收控制电路通过光电探测器响应芯片通路飞线与光电探测器响应芯片电连接。
29.本发明的有益效果是：
30.1、mems激光雷达传统方案存在大角度扫描，大出光功率和高谐振频率无法兼容的矛盾，导致mems激光雷达在mems扫描振镜使用过程中出现激光雷达探测距离，探测视场和探测帧率无法同步优化。只能牺牲部分性能将某方面性能优势充分发挥，如高频扫描激光雷达，大角度激光雷达或者高测距性能激光雷达。想得到集三者优点于一身的激光雷达系统并不容易。
31.本发明提出一种新的到大角度收发同步激光雷达系统方案，将激光发射芯片和光电探测器响应芯片植入到扫描元件如mems扫描振镜表面，无论是一维还是二维mems扫描振镜，在mems扫描振镜控制电路中加入激光发射芯片和光电探测芯片控制电路，在控制mems扫描振镜振动的同时控制激光的发射与探测器的接收，激光发射光源不需要经过mems扫描振镜表面反射出光，可直接跟随mems扫描振镜扫描出光，由于激光不需要经过mems扫描振镜扫描面的反射再出光，不存在扫描面积尺寸小于发射光斑导致的发射能量的损失。同时外部设置扩角光学系统将小角度扫描整形为广角发射，以此来去除mems扫描振镜尺寸面积对扫描谐振频率和扫描角度之间的相互制约，得到大视场扫描、远测距探测和高帧率点云数据的高性能大角度收发同步mems激光雷达。
32.2、本发明mems扫描振镜无需因为反射的作用需求需要保证一定的面积，尺寸只需要大于激光发射芯片与光电探测器响应芯片的尺寸即可。而这两个芯片的实际使用尺寸都在um量级，所以mems扫描振镜面积做到亚毫米量级即可。可以大大提高mems扫描振镜的扫描谐振频率，进一步实现更高的探测帧率。
33.3、光束经扩角度光学系统模块扩束后发射到目标物体，经目标物体散射后由扩角度光学系统模块接收，接收能量与接受面积尺寸成正比，由于扩角度光学系统模块的出射角度为广角发射，因此本发明可实现大视场扫描的同时可以接收高回波能量，实现远距离探测。
34.4、本发明还提出另一种新的到大角度收发同步mems激光雷达系统方案，将激光发射芯片和光电探测器响应芯片植入到mems扫描振镜表面，无论是一维还是二维mems扫描振镜，在mems扫描振镜控制电路中加入激光发射芯片和光电探测芯片控制电路，在控制mems扫描振镜振动的同时控制激光的发射与探测器的接收，激光发射光源不需要经过mems扫描振镜表面反射出光，可直接跟随mems扫描振镜扫描出光。同时通过组合拼接多个mems扫描振镜模块视场实现广角发射，以此来去除mems扫描振镜尺寸面积对扫描谐振频率和扫描角度之间的相互制约，得到大视场扫描、远测距探测和高帧率点云数据的高性能大角度收发同步mems激光雷达。
附图说明
35.图1为本发明mems扫描振镜模块与电路集成控制模块构成的收发同步mems扫描振镜示意图。
36.图2为实施例1的大角度收发同步mems激光雷达光学系统原理图。
37.图3为实施例1的扩角透镜组平面示意图。
38.图4为实施例2的大角度收发同步mems激光雷达光学系统原理图。
39.图中附图标记为：1-mems扫描振镜表面；11-第一个mems扫描振镜模块；12-第二个mems扫描振镜模块；1n-第n个mems扫描振镜模块；2-激光发射芯片；21-激光发射芯片飞线；3-光电探测器响应芯片；31-光电探测器响应芯片飞线；4-扩角度光学系统模块；41-凸透镜组；42-凹透镜；5-探测区域；6-mems扫描振镜的微型整形光学元件和接收元件；
具体实施方式
40.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，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
41.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。
42.实施例1
43.本实施例提出了一种大角度收发同步mems激光雷达光学系统，包括mems扫描振镜模块、电路集成控制模块及扩角度光学系统模块；mems扫描振镜模块包括一维或二维mems扫描振镜、激光发射芯片与光电探测器响应芯片，激光发射芯片与光电探测器响应芯片植入在mems扫描振镜表面，跟随mems扫描振镜同步扫描。本实施例在常规mems扫描振镜加工制作方式的基础上，将激光发射芯片与光电探测器响应芯片植入在mems扫描振镜表面，将激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路通过引线实现电路的导通，在mems扫描振镜模块外部进行激光雷达激光芯片发光控制与探测器接收信号的光电转换控制。激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路与mems扫描振镜扫描驱动控制电路合并为电路集成控制单元。扩角度光学系统模块在mems扫描振镜模块的出射光路中，在mems扫描振镜封装加工后固有的扫描角度的基础上进行角度的数倍扩大，弱化振镜本身扫描角度的制约，实现激光雷达的大视场角探测。同时扩角度光学系统模块将出光光斑打到物体后，回波能量原路返回通过扩角度光学系统汇聚到振镜表面的光电探测器响应芯片，后由光电探测器响应芯片接收进行信号处理，实现激光雷达回波信号的探测。
44.其中mems扫描振镜模块与电路集成控制模块的具体实现细节表述如下：
45.如图1所示：在mems扫描振镜表面1上植入激光发射芯片2与光电探测器响应芯片3，mems扫描振镜有电磁式electro-magnetic、压电式thin-film piezo、静电场式electrostatic几种实现方式。无论哪种实现方式，传统mems扫描振镜在激光雷达中作为反射扫描器件使用，即激光器发光后通过mems扫描振镜镜面反射后扫描至目标物体，随mems扫描振镜扫描的同时发射光斑也随之实现一定视场区域的探测。mems扫描振镜的镜片尺寸越大，探测视场越大，但是mems扫描振镜的转动惯量也越大，谐振频率会随之降低。基于以上矛盾，本实施例的mems扫描振镜无需作为反射扫描器件使用，只是起到带动发射出光实现角度扫描的作用。当然在其他实施例中，可以将mems扫描振镜替换为任意扫描元件，该扫描元件可以在驱动控制电路的控制下，按设定振幅与设定频率做简谐振动即可。
46.激光发射芯片2利用激光发射芯片通路飞线21与激光发射驱动电路电连接。一般激光二极管大多数为封装好的产品，包括不同的封装方式：如to56封装、to3.3封装、c-mount单芯片封装，光纤耦合(fh、fm、ft)多芯片封装等其他封装方式，所以常规看到的激光ld的尺寸都是比较大的。如果将这种封装好的激光二极管直接焊接于mems扫描振镜表面，由于mems扫描振镜表面尺寸很小，于尺寸和重量上考虑都是不现实的，这对mems扫描振镜实现转动也是一种负担。但激光发光芯片尺寸实际是很小的，例如osram的一款激光雷达常用的型号为spltl90a-3的t056封装的，中心波长905nm脉冲激光器，发光峰值功率120w，外部整体尺寸有5.6mm，外部尺寸远大于mems扫描振镜镜面。但是其实际发光芯片只是尺寸200um*10um的长条形，远远小于封装后的外形尺寸。而mems扫描振镜的加工尺寸在毫米量
级，大于发光芯片的有效面积。只要把发光芯片植入到mems扫描振镜表面，驱动条带可用比较成熟的飞线将其与外部电路导通，即可实现激光二极管的正常发光。本实施例可以选用ld脉冲发光芯片、直流发光芯片或其他可调制激光发光芯片。激光发光芯片出光类型包括vcsel(垂直腔面发射激光)二极管，(边发射)激光二极管等。
47.同理，光电探测器响应芯片3通过光电探测器响应芯片飞线31与探测器信号接收控制电路电连接。光电探测器同时也是由于封装导致外形尺寸较大。仅将其感应芯片植入到mems扫描振镜表面，用比较成熟的飞线技术将其与外部电路导通，即可光电探测器的对回波能量的探测。本实施例可选用的光电探测器响应芯片主要包括雪崩光电二极管(avalanche photondiode，简称apd)/单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，简称spad)、多像素光子探测器(mppc)和pin光电二极管。
48.将mems扫描振镜扫描驱动控制电路、激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路集成到mems扫描振镜外部，同时实现激光雷达光斑发射，mems扫描振镜的扫描和回波信号的接收。这种方式实现的难点在于芯片的正常使用，优势在于mems扫描振镜无需因为反射的作用需求需要保证一定的面积，尺寸只需要大于激光发射芯片与光电探测器响应芯片的尺寸即可。而这两个芯片的实际使用尺寸都在um量级，所以mems扫描振镜面积做到亚毫米量级即可。那同时就可以大大提高mems扫描振镜的扫描谐振频率，更高的扫描频率可获得更高的帧率，在测试前方的人或物时便可实现更高的分辨率，最大程度保证的测试结果的真实性。
49.为了保证出射光的准直性，提高出光能量与探测距离，本实施例还可以设有激光光源整形模块，包括微型快慢轴柱面镜，或微型圆透镜贴于激光发射芯片外表面实现对激光发射光源的快慢轴整形，保证出光发射光斑的准直性，提高出光能量与探测距离。在其他实施例中，激光光源整形模块与外部扩角光学透镜组组合，同时实现激光的整形与扩角度。
50.图2为本实施例大角度收发同步mems激光雷达光学系统图。可以看出主要由mems扫描振镜模块、电路集成控制模块及扩角度光学系统模块4构成。图中1即为mems扫描振镜表面，附带有激光发射芯片2与光电探测器响应芯片3，4为扩角度光学系统模块，本实施例选用扩角透镜组，目的是在mems扫描振镜固定扫描角度的基础上实现更大角度的扫描。由于mems扫描振镜扫描角度，扫描谐振频率和扫描面积尺寸相互制约，本实施例将激光发射芯片2与光电探测器响应芯片3植入mems扫描振镜表面解决了对mems扫描振镜表面尺寸的限制，但是mems扫描振镜扫描角度和扫描频率也存在矛盾。要想得到高帧率大角度的扫描效果，本实施例提出在mems扫描振镜扫描后经过扩角透镜组来进行mems扫描振镜角度的扩大。具体方式为激光准直后经mems扫描振镜扫描后可实现mems扫描振镜固定的扫描角度，后通过扩角透镜组实现扫描角度数倍的角度扩大。扩角透镜组的入射角度即为mems扫描振镜的扫描角度，光斑经扩角透镜组扩角后发射到目标区域5，经目标物的朗伯散射后由扩角透镜组接收，并汇聚到光电探测器响应芯片内实现回波信号的探测。同时由于扩角透镜组的出射角度为广角发射，镜面尺寸比加大，接收能量与接受面积尺寸成正比，即可实现高回波能量的接受，提高信噪比，提高雷达的刷新帧率。
51.图3为本实施例扩角透镜组具体优化后的元件图，包括沿光路依次设置的凸透镜组41和凹透镜42。凸透镜组41接收mems扫描振镜的角度入射，将其进行部分收敛，后经过凹透镜的发散将角度进行扩大。凸透镜组41和凹透镜42的焦距比决定了扩角角度的倍数。f1
为凸透镜组41的焦距，f2为凹透镜42的焦距，根据菲涅尔定律可得：
52.f1*tan(θ1)＝f2*tan(θ2)
[0053][0054]
其中θ1为mems扫描振镜的扫描半角，θ2为经过扩角系统后的发射角度，由于是扩角光学系统，其中f1＜f2；由公式可知，焦距比值与扩角度度数成正比，通过此方法来实现激光雷达的扩角度。
[0055]
在其他实施例中扩角透镜组还可以包含柱面镜，浸没透镜，复合抛物面聚光镜等大视场发射与接收透镜。
[0056]
实施例2
[0057]
图4为本发明的另一种实施方式，雷达扫描视场扩角度的方式可以通过组合拼接扫描模块来实现，本实施例选用n个mems扫描振镜模块来实现。本实施例的大角度收发同步mems激光雷达光学系统包括n个mems扫描振镜模块及与其一一对应的n个电路集成控制模块；其中n为大于等于2的正整数；图4中，11为第一个mems扫描振镜模块，12为第二个mems扫描振镜模块，1n为第n个mems扫描振镜模块。
[0058]
每个mems扫描振镜模块与实施例1相同，均包括mems扫描振镜及植入mems扫描振镜表面的激光发射芯片与光电探测器响应芯片；激光发射芯片与光电探测器响应芯片跟随mems扫描振镜同步扫描；n个mems扫描振镜模块按设定排列方式排列，保证相邻mems扫描振镜的扫描角度交接部分重合，实现mems扫描振镜扫描视场的拼接；每个电路集成控制模块也与实施例1相同，均包括mems扫描振镜扫描驱动控制电路、激光发射驱动电路和探测器信号接收控制电路；mems扫描振镜扫描驱动控制电路用于控制相应mems扫描振镜按设定振幅与设定频率做简谐振动；激光发射驱动电路与相应激光发射芯片电连接，用于控制相应激光发射芯片发光；探测器信号接收控制电路与相应光电探测器响应芯片电连接，用于控制相应光电探测器响应芯片接收被测物体反射的回波信号并实现光电转化。
[0059]
本实施例，在每个mems扫描振镜模块上还设有微型整形光学元件和接收元件6，微型整形光学元件主要包括激光快慢轴准直镜，常见为柱面镜或者圆透镜等微型准直元件；接收元件主要包括聚焦透镜等微型聚光透镜元件，分别装配在每个光电探测器响应芯片外表面。可根据具体情况实现mems扫描振镜扫描视场的拼接。若单mems扫描振镜扫描角度为θ，拼接后的总体扫描视场为θ*n，只要在结构上对每个mems扫描振镜模块的角度位置进行合理的设计，保证相邻mems扫描振镜模块的扫描角度交接部分重合，即可实现θ-360度的大扫描视场，而且mems扫描振镜由于体积小重量轻，总体体积不会因为数量的增多过于庞大与繁杂，保证激光雷达系统的轻量化与便携化，同时具有大视场的探测范围。
[0060]
本实施例包括mems扫描振镜模块以及与之对应的电路集成控制模块，可通过拼接每个mems扫描振镜模块的扫描视场实现大视场扫描，因此该系统不需要添加扩角度光学系统。
[0061]
为保证出光光斑的准直性，在激光发射芯片外表面装配微型光学准直透镜对激光发光进行整形。由于激光发射芯片一般为高功率脉冲激光，其发光芯片为阵列芯片组芯片，所以相应的可同时装配微型光学透镜阵列实现激光出光光斑的准直性，保证出光能量的集中发射，避免激光光斑太大导致出光能量密度降低，散射回波能量信噪比太低无法被探测
器探测。