本實用新型屬于激光測距技術領域，涉及一種光束掃描裝置，具體涉及一種基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)。

背景技術：

目前的掃描式激光雷達包括以下幾種掃描方式：步進電機帶動掃描方式、高速振鏡掃描方式、MEMS振鏡掃描方式以及光相控陣技術。

其中，步進電機帶動掃描方式和MEMS振鏡掃描方式是現(xiàn)在的主流方式。采用步進電機帶動掃描方式的代表為Velodyne公司的多線激光雷達。這種掃描方式的掃描精度和步進電機的精度相關，要獲取高精度的點云陣列對步進電機的參數(shù)有著非常高的要求。Velodyne公司的產(chǎn)品能達到5Hz的掃描頻率下維持0.1°的精度，要達到這樣的參數(shù)需要步進距離為0.1°和轉速為2000rpm的電機，符合這種技術要求的步進電機或伺服電機有著非常昂貴的價格。

采用MEMS振鏡掃描方式的代表公司是日本的先鋒公司(Pioneer)。但是，MEMS振鏡的偏轉角度有限，一般其機械偏轉角小于±8°，只能夠掃描32°的范圍。要實現(xiàn)大角度的偏轉，一般采用額外的透鏡系統(tǒng)來放大其掃描角度。這種透鏡系統(tǒng)需要精密的非球面透鏡組，這種透鏡組將會帶來高昂的成本。

鑒于現(xiàn)有技術的上述技術缺陷，迫切需要研制一種新型的光束掃描裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的缺點，提供一種基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)，其可以降低對系統(tǒng)中器件的技術要求，從而能通過更小的成本實現(xiàn)相同甚至更高的技術指標，極大地削減成本。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術方案：一種基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)，其特征在于，包括MEMS振鏡和鼓鏡，以及位于所述MEMS振鏡和鼓鏡之間的第一平凸透鏡和第二平凸透鏡，所述第一平凸透鏡和第二平凸透鏡組成擴束鏡，所述鼓鏡在步進電機的帶動下旋轉，來自光源的光束先到達所述MEMS振鏡并經(jīng)過所述MEMS振鏡反射后得到小角度的掃描光束，然后到達所述第一平凸透鏡，之后到達所述第二平凸透鏡，經(jīng)過所述第一平凸透鏡和第二平凸透鏡進行擴束，最后再到達所述鼓鏡，所述鼓鏡由步進電機帶動旋轉從而獲得遠場發(fā)散角小于0.5mrd的掃描光束。

進一步地，其中，所述鼓鏡采用六面體結構。

更進一步地，其中，所述第一平凸透鏡的半徑為3mm，凸的一面的半徑為3mm、圓錐曲線系數(shù)為-1.42、曲率半徑為3mm。

再進一步地，其中，所述第二平凸透鏡的半徑為10mm，凸的一面的半徑為10mm、圓錐曲線系數(shù)為-0.96、曲率半徑為9mm。

再更進一步地，其中，所述MEMS振鏡的機械偏轉角為±2°～±4°，所述擴束鏡的擴束比為2～4，所述步進電機的轉速為314rpm、步長為2°。

與現(xiàn)有的光束掃描裝置相比，本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)具有如下有益技術效果：在MEMS振鏡和鏡鼓之間設置擴束鏡，起到對入射光束進行擴束以壓縮其遠場發(fā)散角的作用；同時，通過調節(jié)擴束鏡的參數(shù)，可以實現(xiàn)不同擴束比的輸出光束。因此，平行或準平行光束經(jīng)過MEMS振鏡反射后實現(xiàn)小角度的光束掃描功能，通過擴束鏡后壓縮發(fā)散角，再通過旋轉鏡鼓擴大其掃描角度。這樣，采用混合掃描方式，利用MEMS振鏡和旋轉鏡鼓相組合的方式來實現(xiàn)廣角高精度的掃描，在降低對系統(tǒng)中器件的技術要求的情況下，能通過更小的成本實現(xiàn)相同甚至更高的技術指標，從而極大地削減成本。

附圖說明

圖1為本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為遠程光束示意圖，示出了在MEMS振鏡和鏡鼓處于不同傾斜角度時的9條光線。

圖3為圖2的9條光線在100m以外的遠場光斑大小的示意圖。

圖4為圖2中的中心光線在遠場(100m處)的光斑形狀尺寸示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明，實施例的內容不作為對本實用新型的保護范圍的限制。

圖1示出了本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)的結構示意圖。如圖1所示，本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)包括MEMS振鏡1和鼓鏡4，以及位于所述MEMS振鏡1和鼓鏡4之間的第一平凸透鏡2和第二平凸透鏡3。

其中，與現(xiàn)有技術中的MEMS振鏡一樣，所述MEMS振鏡1是一種基于微電子機械系統(tǒng)技術開發(fā)的微光學元件，為具有可繞一固定軸扭擺的平行反射鏡面的微光機電裝置，鏡面的擺動幅度為幾度。但是，與現(xiàn)有技術中的MEMS振鏡掃描方式需要MEMS振鏡的機械偏轉角為±8°不同，在本實用新型中，所述MEMS振鏡1的機械偏轉角要求為±2°～±4°，降低了對MEMS振鏡的技術要求，降低了成本。

在本實用新型中，來自光源的光束首先到達所述MEMS振鏡1，并經(jīng)過所述MEMS振鏡1反射后得到小角度的掃描光束。在本實用新型中，所述小角度的掃描光束的掃描角度一般小于10°。

所述第一平凸透鏡2和第二平凸透鏡3組成擴束鏡，用于對所述MEMS振鏡1反射后的光束進行擴束。其中，所述第一平凸透鏡2和第二平凸透鏡3都是一面為平的，一面為凸的。在本實用新型中，優(yōu)選地，所述第一平凸透鏡2的平的一面的半徑為3mm、圓錐曲線系數(shù)為0、曲率半徑為Infinity，凸的一面的半徑為3mm、圓錐曲線系數(shù)為-1.42、曲率半徑為3mm。所述第二平凸透鏡3的平的一面的半徑為10mm、圓錐曲線系數(shù)為0、曲率半徑為Infinity，凸的一面的半徑為10mm、圓錐曲線系數(shù)為-0.96、曲率半徑為9mm。

通過所述MEMS振鏡1反射后的光束到達所述第一平凸透鏡2，之后到達所述第二平凸透鏡3，經(jīng)過所述第一平凸透鏡2和第二平凸透鏡3進行擴束。從所述第二平凸透鏡3出射的光束會具有較大的光束直徑和較小的發(fā)散角，這在遠場情況下可以有效減少光斑直徑。

所述鼓鏡4在步進電機的帶動下旋轉。經(jīng)所述擴束鏡擴束后的光束最后再到達所述鼓鏡4。所述鼓鏡4由步進電機帶動旋轉實現(xiàn)大范圍的光束掃描，從而獲得遠場發(fā)散角小于0.5mrd的掃描光束。

在本實用新型中，優(yōu)選地，所述鼓鏡4采用六面體結構。這樣，一次可以實現(xiàn)120°的光束掃描范圍，并且所述鏡鼓4旋轉一圈可以實現(xiàn)6次120°范圍的掃描。

下面以實現(xiàn)Velodyne公司的產(chǎn)品參數(shù)為例(5Hz，0.1°分辨率)，來介紹本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)如何能夠降低對系統(tǒng)中器件的技術要求，從而能通過更小的成本實現(xiàn)相同甚至更高的技術指標。

由于所述鏡鼓4采用六面的結構，這樣一次可以實現(xiàn)120°的光束掃描范圍，并且所述鏡鼓1旋轉一圈可以實現(xiàn)6次120°范圍的掃描。因此，要達到5Hz的掃描幀數(shù)，只需要采用314rpm轉速的步進電機(而現(xiàn)有的步進電機帶動掃描方式需要采用2000rpm轉速的步進電機，因此，對步進電機的轉速要求顯著降低)。在掃描精度上，步進電機的步長精度只需要達到所述MEMS振鏡1的最大機械偏轉角，因此，可以采用2°的步長來實現(xiàn)0.1°甚至更高的掃描精度(而現(xiàn)有的步進電機帶動掃描方式需要采用0.1°步長的步進電機，因此，對步進電機的步長要求顯著降低)。由于所述擴束鏡的擴束作用，使得所述MEMS振鏡1的機械偏轉角根據(jù)擴束鏡的擴束比(通常為2-4)可以采用±2°～±4°(而現(xiàn)有的MEMS振鏡掃描方式需要MEMS振鏡的機械偏轉角為±8°，因此，對MEMS振鏡的偏轉角要求顯著降低)。而對步進電機和MEMS振鏡的這種技術要求上的大幅下降可以極大的削減成本。

圖2為遠程光束示意圖，示出了在MEMS振鏡和鏡鼓處于不同傾斜角度時的9條光線，其中，9條光線分別對應所述MEMS振鏡1的機械偏轉角度為-2°、0°和2°，所述鏡鼓4的旋轉角度為-2°、0°和2°時的9條光線。其中，掃描的角度約為0.18rad，掃描約10°的范圍。

圖3為圖2的9條光線在100m以外的遠場光斑大小的示意圖。從圖3可以看出，9條光線的遠場光斑大小基本一致，而且相互之間的間隔也很均勻。

圖4為圖2中的中心光線在遠場(100m處)的光斑形狀尺寸示意圖。圖4上縱坐標的標尺單位是微米，總長度是10cm?？梢钥吹焦獍咴?00m處的直徑在5-6cm。

本實用新型的基于MEMS振鏡和鼓鏡的廣角掃描系統(tǒng)采用混合掃描方式，利用MEMS振鏡和旋轉鏡鼓相組合的方式來實現(xiàn)廣角高精度的掃描，在降低對系統(tǒng)中器件的技術要求的情況下，能通過更小的成本實現(xiàn)相同甚至更高的技術指標，從而極大地削減成本。

本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本實用新型的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。