一种微镜扫描光学系统和激光雷达的制作方法

本实用新型实施例涉及激光测距
技术领域：
，尤其涉及一种微镜扫描光学系统和激光雷达。
背景技术：
：随着半导体技术、信息技术以及光通信技术的快速发展，微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)发展的又一重要方向是与光学相结合，称为微光机电系统(Micro-Opto-Electro-MechanicalSystem，MOEMS)。MOEMS是利用微加工技术实现的微光机电器件与系统，系统中的为光学元件(如透镜、反射镜或光栅等)在微电子或微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、反射或衍射等调控作用，从而实现光的开关、衰减、扫描或成像等功能。MEMOS扫描镜通常指扫描反射反射镜在驱动力(包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动以及压电驱动)作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度，与传统的通过电机驱动反射镜进行光学扫描的方式相比，MOMES扫描镜在体积较小、重量较轻、功耗较低以及动态响应较快，此外，MOMES扫描镜还具有MEMS器件共有的易于实现大规模批量制造、成本较低的优点。但是，目前的扫描反射镜扫描光学系统扫描视场较小，为实现大的扫描视场，通常需要将多个扫描反射镜或多个光源子单元进行拼接，从而导致成本较高。技术实现要素：本实用新型提供一种微镜扫描光学系统和激光雷达，可增大扫描视场，从而降低大的扫描视场下微镜扫描光学系统的成本。第一方面，本实用新型实施例提出一种微镜扫描光学系统，该系统包括：用于发射探测光信号的发射光学单元；所述发射光学单元包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元、扫描反射镜和衍射子单元；所述光源子单元用于发出光束；所述扫描反射镜用于在驱动力作用下转动，从而改变所述光束的传播方向，进行一维扫描；所述衍射子单元用于将所述光束在与扫描方向垂直的方向上整形，形成具有设定视场角度值的所述探测光信号。进一步地，所述发射光学单元还包括准直子单元；所述准直子单元位于所述光源子单元与所述扫描反射镜之间的光路中；所述准直子单元用于将所述光源子单元发出的光束准直，并将准直后的光束照射到所述扫描反射镜的反射面。进一步地，所述准直子单元包括柱面镜和准直透镜；所述柱面镜用于调节所述光束在第一方向上的发散程度，使经过调节后的光束在相互垂直的第一方向和第二方向上的发散程度一致；所述准直透镜用于对经所述柱面镜调节后的光束进行准直。进一步地，所述准直透镜为球面透镜组或非球面透镜组。进一步地，所述扫描反射镜的形状为椭圆形，所述椭圆形的长轴的长度A的取值范围为1mm≤A≤4mm，短轴的长度B的取值范围为1mm≤B≤4mm。进一步地，所述扫描反射镜的形状为圆形，所述圆形的直径D的取值范围为1mm≤D≤4mm。进一步地，所述衍射子单元包括衍射镜。进一步地，所述衍射镜用于将照射到其上的光束整形为在与所述扫描方向垂直的方向上视场角度为20度的光束。进一步地，所述光源子单元为半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或固体激光器。进一步地，该微镜扫描光学系统还包括接收光学单元；所述接收光学单元用于接收被目标物体反射的待测光信号。进一步地，所述接收光学单元包括沿光的传播方向依次排列的接收透镜子单元、滤光子单元和接收探测器子单元：所述接收透镜子单元用于将目标物体反射的待测光信号整形聚焦至接收探测器子单元；所述滤光子单元用于通过探测光信号，滤除其他波长的光信号；所述接收探测器子单元用于探测整形聚焦后的所述待测光信号；其中，所述接收探测器子单元的形状为矩形，所述接收透镜子单元用于将所述待测光信号整形聚焦为与所述接收探测器子单元的形状和尺寸相一致的光束。进一步地，所述接收透镜子单元包括球面镜组或非球面镜组。进一步地，所述滤光子单元包括滤光片。进一步地，所述接收探测器子单元包括多通道雪崩光电二极管。进一步地，所述多通道雪崩光电二极管为矩形，所述矩形的长边的长度E为12mm，短边的长度F为5mm。进一步地，所述接收透镜子单元包括聚焦透镜组和柱面镜；所述聚焦透镜组用于将所述待测光信号聚焦至所述多通道雪崩光电二极管；所述柱面镜用于将所述待测光信号整形，使整形后的待测光信号的光斑长度与所述多通道雪崩光电二极管的长边的长度相等，整形后的待测光信号的光斑宽度不大于所述多通道雪崩光电二极管的短边的长度的88％。第二方面，本实用新型实施例提出一种激光雷达，该激光雷达包括第一方面提供的微镜扫描光学系统。本实用新型实施例提供了一种微镜扫描光学系统，该微镜扫描光学系统包括用于发出探测光信号的发射光学子单元，该发射光学子单元包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元、扫描反射镜和衍射子单元；通过设置扫描反射镜在驱动力作用下转动，可改变光束的传播方向，扫描反射镜转动的角度决定了光束传播方向相对于入射到扫描反射镜前光束的传播方向偏转的角度的相对大小，从而可通过扫描反射镜的转动实现一维扫描；同时，通过设置经过扫描反射镜之后的光束入射到衍射单元，经衍射单元将光束在与扫描方向垂直的方向上整形，形成具有设定视场角度值的探测光信号。因此，通过扫描反射镜和衍射镜的配合，可形成较大的扫描视场，避免了多个扫描反射镜或多个光源子单元拼接导致的成本较高的问题，降低了微镜扫描光学系统的成本。附图说明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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本实用新型实施例提供的一种发射光学单元的光路示意图；图2是本实用新型实施例提供的另一种发射光学单元的光路示意图；图3是本实用新型实施例提供的又一种发射光学单元的光路示意图；图4是本实用新型实施例提供的一种发射光学单元扫描范围示意图；图5是本实用新型实施例提供的又一种发射光学单元的光路示意图；图6是本实用新型实施例提供的一种准直子单元的结构示意图；图7是本实用新型实施例提供的一种接收光学单元的结构示意图；图8是本实用新型实施例提供的一种接收光学单元探测范围示意图；图9是本实用新型实施例提供的一种多通道雪崩光电二极管的结构示意图；图10是本实用新型实施例提供的一种接收透镜子单元的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统可应用于激光测距，利用此光学系统、基于飞行时间法，计算调制激光发射和返回的时间差得到光程，进而可获得目标物体的距离信息。此微镜扫描光学系统包括用于发出探测光信号的发射光学单元，图1是本实用新型实施例提供的一种发射光学单元的光路示意图。参见图1，该发射光学单元包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元10、扫描反射镜20和衍射子单元30；光源子单元10用于发出光束；扫描反射镜20用于在驱动力作用下转动，从而改变光束的传播方向，进行一维扫描；衍射子单元30用于将光束在与扫描方向垂直的方向上整形，形成具有设定视场角度值的探测光信号。其中，光源子单元10发出的光束可为经过调制后的，具有特定的频率(波长)和相位的激光光束。可选的，光源子单元10为半导体激光器、光纤激光器、气体激光器或固体激光器。示例性的，光源子单元10为红外波段的高功率纳秒级脉冲半导体激光器(半导体激光器，也可称为激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器)。其中，扫描反射镜20可为MEMS微镜，驱动MEMS微镜转动，进行一维扫描的驱动力主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动。相对于传统的通过电机带动大尺寸反射镜转动的扫描方式而言，本实用新型实施例提供的通过上述驱动力带动MEMS微镜转动，体积小，重量轻，功耗低以及动态响应速度快，同时还具有易于实现批量生产、成本低的特点。通常，MEMS微镜可转动的角度越大，发射光学单元的扫描范围越大。MEMS微镜的尺寸越大，一方面可将出口光斑(由光源子单元10发出的光束在MEMS微镜的反射面形成的光斑)全部反射，避免能量损失；另一方面，出口光斑越大越容易准直，从而较强的光束的强度保证了发射的信号的强度较高，从而使激光测距的准确性较高且可测量的距离较远。示例性的，图2是本实用新型实施例提供的另一种发射光学单元的光路示意图，图3是本实用新型实施例提供的又一种发射光学单元的光路示意图。结合图1-图3，扫描反射镜20为一维MEMS微镜，扫描反射镜20可转动的角度决定了发射光学单元的扫描角度范围。示例性的，基于图1和图2中示出的方向，扫描反射镜20顺时针旋转了10度，则由扫描反射镜20反射后的光束顺时针旋转20度。示例性的，基于图1和图3中示出的方向，扫描反射镜20逆时针旋转了10度，则由扫描反射镜20反射后的光束逆时针旋转20度。示例性的，扫描反射镜20的扫描角度范围为10-50度可调，即可转动的角度为40度，则发射光学单元的光束可实现80度的扫描。需要说明的是，上述角度的具体数值仅为对本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统的示例性的说明，而非限定。其中，衍射子单元30可将点光源整形为线光源，本实用新型实施例中衍射子单元30将光束在与扫描方向垂直的方向上整形，即使此发射光学单元在相互垂直的两个方向上进行扫描。可选的，衍射子单元30可包括衍射镜。可选的，衍射镜用于将照射到其上的光束整形为在与扫描方向垂直的方向上视场角度为20度的光束。从而，发射光学单元可形成80度*20度的扫描视场。示例性的，图4是本实用新型实施例提供的一种发射光学单元扫描范围示意图。参照图4，经扫描反射镜20反射后的光束，再经过衍射子单元30整形后，形成α角度值为20度，θ角度值为80度的二维扫描视场。示例性的，将二维MEMS微镜的技术方案与本实用新型实施例提出的发射光学单元对比，如表1所示。表1方案参数对比其中，方案一为本实用新型实施例提供的利用一维MEMS微镜结合衍射镜实现二维视场扫描的方案，方案二为利用二维MEMS微镜实现二维视场扫描的方案。水平角度为由一维MEMS微镜转动实现的扫描角度，垂直角度为通过衍射镜的衍射整形作用实现的扫描角度。由表1的对比可以看出，要实现同样的扫描视场、扫描点数、角分辨率以及帧刷新率，本实用新型实施例提出的一维MEMS微镜结合衍射镜的方案使用的光源子单元10的发射频率为12000Hz，二维MEMS微镜的方案所使用的光源子单元10的发射频率为768000Hz。示例性的，现有的波长为905nm半导体激光器的发射频率最大约为100000Hz左右。显然，二维MEMS微镜的方案使用一个半导体激光器无法实现上述参数，必须利用多个激光器拼接才能实现。需要说明的是，表1中示出的上述参数仅为将方案一与方案二进行对比的示例性说明，而非对本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统的限定。本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统利用一维MEMS微镜结合衍射镜的方案，其优势在于：所需半导体激光器的发射频率较低，且水平方向的扫描视场只由一维MEMS微镜决定，一维MEMS微镜的扫描视场角度越大，则发射光学单元的水平扫描视场越大，即微镜扫描光学系统的水平扫描视场越大，此水平扫描视场不受其他光学系统或者此光学系统中的其他因素的影响。同时，本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统在实现较大的扫描视场和较高的角度分辨率时，无需多个光源子单元(激光器)进行拼接，可节省成本。可选的，图5是本实用新型实施例提供的又一种发射光学单元的光路示意图。参照图5，该发射光学单元还包括准直子单元40；准直子单元40位于光源子单元10与扫描反射镜20之间的光路中；准直子单元40用于将光源子单元10发出的光束准直，并将准直后的光束照射到扫描反射镜20的反射面。其中，光源子单元10发出的光束为发散的光束，准直子单元40将由光源子单元10发出的发散的光束进行准直，形成平行光束后照射到扫描反射镜20的反射面，从而可避免能量的损失，进而提高由发射光学单元发出的光束的信号的强度。可选的，扫描反射镜20的形状为椭圆形，椭圆形的长轴的长度A的取值范围为1mm≤A≤4mm，短轴的长度B的取值范围为1mm≤B≤4mm。可选的，扫描反射镜20的形状为圆形，圆形的直径D的取值范围为1mm≤D≤4mm。其中，由于扫描反射镜20的尺寸较小，通过准直子单元40将光束准直，可使照射到扫描反射镜的光斑尺寸较小，避免光束能量的浪费。示例性的，经准直子单元40准直后的光束的光斑尺寸小于扫描反射镜20的上述镜面尺寸，从而可使光斑全部落到扫描反射镜20的镜面上，被扫描反射镜20反射。可选的，图6是本实用新型实施例提供的一种准直子单元的结构示意图。参照图6，准直子单元40包括柱面镜401和准直透镜402；柱面镜401用于调节光束在第一方向上的发散程度，使经过调节后的光束在相互垂直的第一方向和第二方向上的发散程度一致；准直透镜402用于对经柱面镜调节后的光束进行准直。其中，上述各镜片可调节的波长范围与光源子单元的波长范围相匹配。示例性的，光源子单元为905nm的半导体激光器，则柱面镜401和准直透镜402均为905nm的光学镜片。其中，光源子单元发出的光束在相互垂直的第一方向和第二方向的发散角通常相差较大，因此，需要先通过柱面镜401对其中至少一个方向的发散角进行调节，使光束在上述两个方向的发散角相当，然后再通过准直透镜402对光束进行准直，即使光源子单元发出的光束在快轴方向和慢轴方向上都能得到很好的准直，从而使经过准直后的光束的能量更集中。示例性的，光源子单元发出的光束在第一方向上的发散角为25度，在第二方向上的发散角为8度-9度，二者相差较大。此时，准直子单元40中，首先通过柱面镜401对光束在第二方向上的发散角进行调整，使调整后的发散角为25度左右，然后在通过准直透镜402对上述调整后的光束进行准直，形成平行光束，此时，在扫描反射镜的反射面上形成一个点光斑。示例性的，准直后的光斑尺寸的直径小于2mm，光束的发散角为0.15mrad。需要说明的是，上述发散角及光斑尺寸的具体数值仅为对本实用新型实施例提供的微镜扫描光学系统的示例性的说明，而非限定。可选的，准直透镜为球面透镜组或非球面透镜组。其中，准直透镜可实现将发散的光束准直为平行光束的作用即可。本实用新型对其具体组成不作限定。可选的，微镜扫描光学系统还包括接收光学单元，接收光学单元用于接收被目标物体反射的待测光信号。从而，通过比较接收光学单元接收的待测光信号与发射光学单元发出的光信号的信息，即可获得目标物体的距离值。可选的，图7是本实用新型实施例提供的一种接收光学单元的结构示意图。参照图7，接收光学单元包括沿光的传播方向依次排列的接收透镜子单元50、滤光子单元60和接收探测器子单元70；接收透镜子单元50用于将目标物体反射的待测光信号整形聚焦至接收探测器子单元70；滤光子单元60用于通过探测光信号，滤除其他波长的光信号；接收探测器子单元70用于探测整形聚焦后的待测光信号；其中，接收探测器子单元70的形状为矩形，接收透镜子单元50用于将待测光信号整形聚焦为与接收探测器子单元的形状和尺寸相一致的光束。其中，由于发射光学单元利用衍射子单元将点光源整形为线光源，线光源在所有角度内是同时发射的，即竖直方向的线光源是没有时序的。因此，将接收光学单元中的接收探测器子单元70设置为矩形，可同时接收垂直方向不同角度的待测光信号。示例性的，图8是本实用新型实施例提供的一种接收光学单元探测范围示意图。参照图8，对应于图4中示出的发射光学单元的扫描范围，接收探测器子单元70可探测到不同扫描视场下由目标物体反射的待测光信号。可选的，接收探测器子单元包括多通道雪崩光电二极管。其中，多通道雪崩光电二极管(AvalanchePhotoDiode，APD)可接收垂直方向不同角度的待测光信号，并且，多通道雪崩二极管的通道的数量有多少个，就最多可以区分多少个垂直方向的角度的信号。结合表1示出的参数，设置多通道雪崩二极管的通道数量为64个，即可实现垂直方向的扫描点数为64个。同时，多通道雪崩二极管的放置方向对应于接收视场的垂直视场。示例性的，图9是本实用新型实施例提供的一种多通道雪崩光电二极管的结构示意图。参照图9，多通道雪崩光电二极管在垂直方向的长度E为12mm，在水平方向的长度F为5mm。需要说明的是，图9中仅示例性的示出了一种多通道雪崩光电二极管的结构，但并非对本实用新型实施例的限定。继续参见图7，其中，接收透镜子单元50起到两方面的作用，一方面为对入射到其上的光束进行聚焦，使照射到接收探测器子单元70的待测光信号的光斑较小，能量更集中，从而提高测量准确性；另一方面，对入射到其上的光束进行整形，使照射到接收探测器子单元70的待测光信号的光斑形状和尺寸均与接收探测器子单元70的形状和尺寸相一致，从而可分辨垂直方向的不同垂直视场角度下的待测光信号。可选的，接收透镜子单元包括球面镜组或非球面镜组。其中，接收透镜子单元可实现对待测光信号整形聚焦的作用即可，本实用新型实施例对其具体组成不作限定。可选的，接收透镜子单元包括聚焦透镜组和柱面镜；聚焦透镜组用于将待测光信号聚焦至多通道雪崩光电二极管；柱面镜用于将待测光信号整形，使整形后的待测光信号的光斑长度与多通道雪崩光电二极管的长边的长度相等，整形后的待测光信号的光斑宽度不大于多通道雪崩光电二极管的短边的长度的88％。如此设置，可使经过聚焦透镜组的光束强度更集中，然后此强度集中的光束被柱面镜整形后照射到接收探测器子单元，从而可检测出垂直方向上各个角度的待测光信号。示例性的，图10是本实用新型实施例提供的一种接收透镜子单元的结构示意图。参照图10，接收透镜子单元50包括球面镜501、柱面镜双胶合镜片502、柱面镜503以及柱面镜504。其中，接收透镜子单元50的等效焦距为4.3mm，后焦为5mm，通光孔径为5mm，光学总长为29mm。经过此接收透镜子单元50的光束照射到接收探测器子单元70。接收探测器子单元70接收到的光斑为矩形光斑，光斑长度与接收探测器子单元70的长度一致，示例性的，结合图9，即光斑的长度为12mm，从而12mm长的光斑通过多通道雪崩二极管的64通道接收；光斑宽度(即水平方向的半像高)最大为2.2mm，由此，待测光信号的光斑全部落在多通道雪崩二极管的探测面上。示例性的，通过光学软件模拟得到的多通道雪崩二极管的探测面接收到的光斑的半像高与水平视场角度的关系如表2所示。表2半像高与水平视场角度的关系视场角度(度)0102030半像高(mm)00.7311.4442.125其中，表2中示出的水平视场角度在0度到±30度范围内可变，由此，通过模拟0度-30度范围内的半像高的尺寸即可代表整个水平视场角度范围内的半像高的尺寸，同时，随着水平视场角度的角度值的增大，半像高的尺寸增加。从而，表2中示出的半像高满足上述光斑宽度(即水平方向的半像高)最大为2.2mm的设计要求。继续参见图7，其中，通过设置滤光子单元60仅能通过探测光信号，而滤除其他波长的光信号，使得接收探测器子单元70仅接收到与发射光学单元发射的光信号相对应的探测光信号，而不会接收到与测试环境相关的其他波长的光信号，从而提高了信噪比。特别的，在强光环境下，入射到滤光子单元60的光信号中的噪声信号的强度较大，此强度较大的噪声信号被滤光子单元60滤除，从而使入射到探测器子单元的探测光信号的强度相对提高，从而提高了信噪比。将此光学系统应用于激光测距时，可增加测距系统的探测距离。可选的，滤光子单元包括滤光片。示例性的，示例性的，光源子单元发出的光束的波长为905nm时，该滤光片仅能通过波长为905nm波长的光，而滤除其他波长的光，从而提高信噪比。本实用新型实施例还提供了一种激光雷达，该激光雷达包括上述实施方式示出的微镜扫描光学系统。因此，本实用新型实施例提供的激光雷达具有上述微镜扫描光学系统所具有的的技术效果，在此不再赘述。示例性的，该激光雷达为MEMS固态激光测距雷达。该激光雷达包括上述微镜扫描光学系统，还包括信号处理单元，以对待测光信号和发射光学单元发出的光信号进行处理，得到目标物体的距离值。示例性的，该激光雷达可用于200米内的目标物体的探测。此仅为示例性的说明，而非限定。注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。当前第1页1 2 3