CN111562560A - Mems微镜、激光雷达及自动驾驶设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及雷达技术领域，提供了一种MEMS镜面、激光雷达及自动驾驶设备。MEMS镜面包括框架、转轴、镜面、磁铁和线圈；转轴包括互相垂直的第一转轴和第二转轴；镜面通过转轴与框架连接，镜面用于反射激光光束，镜面能够绕第一转轴和第二转轴扭转；线圈设置于框架上；磁铁包括相互独立的第一磁铁组和第二磁铁组，第一磁铁组包括至少一对磁铁，第二磁铁组包括至少一对磁铁，第一磁铁组与线圈产生驱动镜面绕第一转轴扭转的驱动力，第二磁铁组与线圈产生驱动镜面绕第二转轴扭转的驱动力。本发明实施例降低了第一转轴和第二转轴运动时的相互干扰。
Description
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，特别是涉及一种MEMS微镜、激光雷达及自动驾驶设备。
背景技术
基于微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)微镜技术的激光雷达具有响应快、测距分辨率高等优势。当脉冲激光器发出出射激光并入射到MEMS的微镜(也称为振镜)时，随着微镜的运动，出射激光在微镜表面发生偏转。当微镜进行二维振动时，出射激光会形成面，从而获取目标物体表面的距离信息。
目前激光雷达一般采用二维MEMS微镜，MEMS微镜为闭合线圈-磁铁式电磁微镜结构，二维MEMS微镜的两组扭转轴通常共用一对闭合线圈，当线圈接入两路交流叠加信号后，与永磁铁产生的静态磁场交互作用从而分别产生X方向和Y方向的扭矩，实现微镜的双向运动。现有的电磁微镜驱动技术中，为两组扭转轴提供力矩的磁铁一般为一体化磁铁。当一组扭转轴运动时，如果另一组扭转轴也会对叠加信号产生响应，两组扭转轴将会相互干扰，影响MEMS微镜的扫描精度。例如，当平行X方向的磁铁尺寸变大或变小后，Y方向的力矩也随着增加或降低，因此限制了对X方向和Y方向力矩调整的自由度。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的主要目的在于提供一种MEMS微镜、激光雷达及自动驾驶设备，解决了现有技术中为一个方向扭转轴提供力矩的磁铁会对另一方向的力矩产生干扰的问题。
本发明实施例提供一种MEMS微镜，包括框架、转轴、镜面、磁铁和线圈；
所述转轴包括互相垂直的第一转轴和第二转轴；
所述镜面通过所述转轴与所述框架连接，所述镜面用于反射激光光束，所述镜面能够绕所述第一转轴和第二转轴扭转；
所述线圈设置于所述框架上；
所述磁铁包括相互独立的第一磁铁组和第二磁铁组，所述第一磁铁组包括至少一对磁铁，所述第二磁铁组包括至少一对磁铁，所述第一磁铁组与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第一转轴扭转的驱动力，所述第二磁铁组与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的驱动力。
可选的，所述第一磁铁组和所述第二磁铁组位于所述镜面的背面一侧。
可选的，所述线圈位于所述镜面的正面一侧。
可选的，所述磁铁和所述框架之间的垂直距离范围为0.2-0.4mm。
可选的，所述第一磁铁组沿所述第一转轴方向的长度不小于所述线圈沿所述第一转轴方向的长度，所述第二磁铁组沿所述第二转轴方向的长度不小于所述线圈沿所述第二转轴方向的长度。
可选的，所述第一磁铁组的至少一对磁铁包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第一转轴扭转的第一方向的驱动力，所述第二磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第一转轴扭转的第二方向的驱动力，所述第二方向与所述第一方向相反；
所述第二磁铁组的至少一对磁铁包括第三磁铁和第四磁铁，所述第三磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的第三方向的驱动力，所述第四磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的第四方向的驱动力，所述第三方向与所述第四方向相反。
可选的，所述第一磁铁和所述第二磁铁以所述第一转轴为中心轴对称设置，且以所述镜面为中心对称设置，所述第三磁铁和所述第四磁铁以所述第二转轴为中心轴对称设置，且以所述镜面为中心对称设置。
可选的，所述第一磁铁和所述第三磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第一磁铁和所述第四磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第二磁铁和所述第三磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第二磁铁和所述第四磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm。
可选的，所述磁铁还包括相互独立的第三磁铁组和第四磁铁组，所述第三磁铁组和所述第四磁铁组位于所述镜面的正面一侧，所述第三磁铁组与所述第一磁铁组之间相互排斥，所述第四磁铁组与所述第二磁铁组之间相互排斥；
所述第三磁铁组包括至少一对磁铁，所述第四磁铁组包括至少一对磁铁，所述第三磁铁组与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第一转轴扭转的驱动力，所述第四磁铁组与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的驱动力。
可选的，所述第三磁铁组沿所述第一转轴方向的长度不小于所述线圈沿所述第一转轴方向的长度，所述第四磁铁组沿所述第二转轴方向的长度不小于所述线圈沿所述第二转轴方向的长度。
可选的，所述第三磁铁组的至少一对磁铁包括第五磁铁和第六磁铁，所述第五磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第一转轴扭转的第二方向的驱动力，所述第六磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面所述第一转轴扭转的第一方向的驱动力，所述第二方向与所述第一方向相反；
所述第四磁铁组的至少一对磁铁包括第七磁铁和第八磁铁，所述第七磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的第四方向的驱动力，所述第八磁铁与所述线圈产生驱动所述镜面绕所述第二转轴扭转的第三方向的驱动力，所述第三方向与所述第四方向相反。
可选的，所述第五磁铁和所述第六磁铁以所述第一转轴为中心轴对称设置，且以所述镜面为中心对称设置，所述第七磁铁和所述第八磁铁以所述第二转轴为中心轴对称设置，且以所述镜面为中心对称设置。
可选的，所述第五磁铁和所述第七磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第五磁铁和所述第八磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第六磁铁和所述第七磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm，所述第六磁铁和所述第八磁铁在所述第一转轴方向上的间距大于或等于1mm。
可选的，所述MEMS微镜还包括导磁柱，所述导磁柱设置于所述第一磁铁组和第二磁铁组围合形成的空间内。
可选的，所述框架包括第一框架和第二框架；
所述第一转轴连接所述第一框架和所述第二框架，所述第二转轴连接所述第一框架和所述镜面。
可选的，所述第一转轴和所述第一框架的连接处、所述第一转轴和所述第二框架的连接处、所述第二转轴与所述第一框架的连接处以及所述第二转轴和所述镜面的连接处均呈圆角结构。
可选的，所述第二框架内具有第一容纳空间，所述第一框架位于所述第一容纳空间内；
所述第一框架内具有第二容纳空间，所述镜面和所述第二转轴位于所述第二容纳空间内；
所述第一容纳空间的外侧沿所述第一转轴的轴向延伸出第三容纳空间，所述第一转轴位于所述第三容纳空间内。
可选的，所述第五磁铁、所述第六磁铁、所述第七磁铁和所述第八磁铁在水平方向上设置于所述线圈和第一框架的外边缘以外。本发明实施例还提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括发射模组、如上所述的MEMS微镜、接收模组和测距模组；
所述发射模组用于发射出射激光；
所述MEMS微镜用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向探测区域，还用于接收回波激光并将所述回波激光反射后射向所述接收模组；所述回波激光为所述出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的激光；
所述接收模组用于接收所述回波激光；
所述测距模组用于根据所述出射激光和所述回波激光计算所述探测区域内的物体的距离信息。
本发明实施例还提供了一种自动驾驶设备，包括如上所述的激光雷达。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提供的MEMS微镜中，通过设置相互独立的第一磁铁组和第二磁铁组，第一磁铁组与线圈产生驱动镜面绕第一转轴扭转的驱动力，第二磁铁组与线圈产生驱动镜面绕第二转轴扭转的驱动力，由于驱动第一转轴扭转的第一磁铁组和驱动第二转轴扭转的第二磁铁组相互独立，降低了为第一转轴提供力矩的第一磁铁组对第二转轴方向的力矩产生的干扰，以及为第二转轴提供力矩的第二磁铁组对第一转轴方向的力矩产生的干扰，降低了第一转轴和第二转轴运动时的相互干扰，为第一转轴方向和第二转轴方向的力矩调整提供了自由度。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1示出了本发明实施例提供的激光雷达的结构框图；
图2示出了本发明另一实施例提供的激光雷达的结构框图；
图3示出了本发明实施例提供的MEMS微镜的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的MEMS微镜种框架及其上部件的结构示意图；
图5示出了本发明另一实施例提供的MEMS微镜的结构示意图；
图6示出了本发明另一实施例提供的MEMS微镜另一角度的结构示意图；
图7示出了本发明另一实施例提供的MEMS微镜的***图；
图8示出了图7中的中壳的结构示意图；
图9示出了图7中的中壳的另一角度的结构示意图；
图10示出了图7中的底板及其上部件的结构示意图；
图11示出了本发明实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图；
图12示出了本发明另一实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图。
具体实施方式中的附图标号如下：
激光雷达 100；MEMS微镜 1；框架 10；第一框架 11；第二框架 12；转轴 20；第一转轴 21；第二转轴22；镜面 30；磁铁 40；第一磁铁组 41；第一磁铁 411；第二磁铁 412；第二磁铁组 42；第三磁铁 421；第四磁铁 422；第三磁铁组 43；第五磁铁 431；第六磁铁432；第四磁铁组 44；第七磁铁 441；第八磁铁 442；线圈 50；第一段线圈 51；第二段线圈52；第三段线圈 53；第四段线圈 54；导磁柱 60；第一容纳空间 71；第二容纳空间 72；第三容纳空间 73；外壳 80；顶板 81；中壳 82；第一容纳孔 821；第二容纳孔 822；底板 83；发射模组 2；激光器模块 21；发射驱动模块 22；发射光学模块 23；接收模组 3；探测器模块31；接收驱动模块 32；接收光学模块 33；自动驾驶设备 200。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1示出了本发明实施例提供的激光雷达的结构框图，如图1所示，该激光雷达100包括发射模组2、MEMS微镜1、接收模组3和测距模组4。发射模组2用于发射出射激光；MEMS微镜1用于接收出射激光并将出射激光反射后射向探测区域，以及接收回波激光并将回波激光反射后射向接收模组3，回波激光为出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光；接收模组3用于接收回波激光；测距模组4用于根据出射激光和回波激光计算所述探测区域内的物体的距离信息。出射激光经过MEMS微镜1反射后向外发射，实现对探测区域的扫描；MEMS微镜1接收回波激光并将回波激光反射后射向接收模组3，获得探测区域内的目标物体信息。
其中，发射模组2、接收模组3以及测距模组4可采用现有技术中的任一结构实现。例如，如图2所示，发射模组2可以包括激光器模块21、发射驱动模块22和发射光学模块23。激光器模块21用于发射出射激光；发射驱动模块22与激光器模块21连接，用于驱动和控制激光器模块21工作；发射光学模块23位于激光器模块21发射的出射激光的光路上，用于准直出射激光。激光器模块21可以采用激光二极管(Laser Diode，LD)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等器件。发射光学模块23可以采用有光纤和球透镜组、单独的球透镜组、柱面透镜组等方式。
请继续参考图2，接收模组3可以包括探测器模块31、接收驱动模块32和接收光学模块33。接收光学模块33位于MEMS微镜1反射的回波激光的光路上，用于对回波激光进行会聚；探测器模块31用于接收经过接收光学模块33会聚的回波激光；接收驱动模块32与探测器模块31连接，用于驱动和控制探测器模块31工作。探测器模块31可以采用雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)、硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)、APD阵列、多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter，MPPC)、光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)、单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)等。接收光学模块33可以采用球透镜、球透镜组或柱透镜组等。
请继续参考图2，测距模组4可以由现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)实现，其分别与发射模组2、接收模组3连接，根据出射激光和回波激光计算所述探测区域内的物体的距离信息。
可以理解的是，发射模组2、接收模组3和测距模组4还可以采用其他已知结构，本发明对此不做限定。
在一些实施例中，激光雷达100还可以包括折射镜模组，发射模组2的出射激光射向折射镜模组，经折射镜模组反射后射向镜面30，镜面30将出射激光向外出射至探测区域并进行扫描，探测区域内的物体反射产生的回波激光返回由镜面30接收后，射向折射镜模组，折射镜模组将回波激光反射后射向接收模组3，接收模组3接收回波激光。
下面对本发明实施例的激光雷达100中MEMS微镜1的具体实现进行详细说明。
如图3所示，该MEMS微镜1包括框架10、转轴20、镜面30、磁铁40和线圈50。框架10用于连接转轴20和镜面30；镜面30用于接收并反射出射激光、以及接收并反射回波激光，镜面30可绕转轴20扭转；磁铁40和线圈50用于产生驱动镜面30扭转的驱动力。当出射激光入射至镜面30时，随着镜面30绕转轴20的扭转运动，出射激光在镜面30表面发生偏转。当镜面30进行二维振动时，出射激光由线形成面，从而获取目标物体表面的距离信息。
本实施例中，MEMS微镜1为二维MEMS微镜，也即镜面30绕两个垂直转轴扭转，实现两个维度的运动。如图4所示，其中，框架10包括第一框架11和第二框架12。转轴20包括第一转轴21和第二转轴22。第一转轴21连接第一框架11和第二框架12，第二转轴22连接第一框架11和镜面30。第一转轴21和第二转轴22的互相垂直，其轴向方向呈十字交叉设置。镜面30能够绕第一转轴21和第二转轴22扭转。本实施例中，第一转轴21被定义为X方向转轴(也即外转轴)，第二转轴22被定义为Y方向转轴(也即内转轴)。
第二框架12为方形框体，其内具有第一容纳空间71，第一框架11位于第一容纳空间71内。第一框架11也为方形框体，其内具有第二容纳空间72，镜面30和第二转轴22位于第二容纳空间72内。第一容纳空间71的外侧沿第一转轴21的轴向延伸出第三容纳空间73，第一转轴21位于第三容纳空间73内。本实施例中，第一容纳空间71、第二容纳空间72和第三容纳空间73均为方形容纳腔，其还可以为其他形状的容纳腔，例如圆形、椭圆形等。方形容纳腔便于加工，也有利于产品整体结构的紧凑和小型化。
第一转轴21和第二转轴22均呈长条状。第一转轴21设有两部分，在X方向上分别从第一框架11的不同侧连接到第二框架12。第二转轴22也设有两部分，在Y方向上分别从镜面30的不同侧连接到第一框架11。
第一转轴21与第一框架11的连接处、第一转轴21和第二框架12的连接处、第二转轴22和第一框架11的连接处以及第二转轴22和镜面30的连接处均呈圆角结构。各个连接过镀处通过采用圆角结构可以降低应力集中，使产品不易损坏、失效。
请同时参考图3所示，磁铁40包括相互独立的第一磁铁组41和第二磁铁组42，第一磁铁组41包括至少一对磁铁，第二磁铁组42包括至少一对磁铁，第一磁铁组41与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的驱动力，第二磁铁组42与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的驱动力。
本实施例中，第一磁铁组41包括一对磁铁：第一磁铁411和第二磁铁412，第一磁铁411与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第一方向(Z)的驱动力，第二磁铁412与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第二方向(-Z)的驱动力，第二方向(-Z)与第一方向(Z)相反。第一磁铁411和第二磁铁412以第一转轴21为中心轴对称设置，且以镜面30为中心对称设置，使第一磁铁411和第二磁铁412产生的驱动力在镜面30上的作用点也关于第一转轴21对称，使镜面30绕第一转轴21的转动方向位于第一转轴21的径向平面内，而不会发生倾斜。
第二磁铁组42也包括一对磁铁：第三磁铁421和第四磁铁422，第三磁铁421与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第三方向(Z)的驱动力，第四磁铁422与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第四方向(-Z)的驱动力，第三方向(Z)与第四方向(-Z)相反。第三磁铁421和第四磁铁422以第二转轴22为中心轴对称设置，且以镜面30为中心对称设置，使第三磁铁421和第四磁铁422产生的驱动力在镜面30上的作用点也关于第二转轴22对称，使镜面30绕第二转轴22的转动方向位于第二转轴22的径向平面内，而不会发生倾斜。
第一磁铁组41和第二磁铁组42位于镜面30的背面一侧。通过将第一磁铁组41和第二磁铁组42设置于镜面30的背面一侧，镜面30的正面(也即其上方)没有放置磁铁40，不会遮挡出射激光的光路，保证光束自由入射，保障了镜面30的有效反射范围，提高了出射激光的能量利用率。
若第一磁铁组41、第二磁铁组42和框架10之间的垂直距离太近，可能会使会第一磁铁组41、第二磁铁组42接触到框架10，与框架上的金线产生干涉；若第一磁铁组41、第二磁铁组42和框架10之间的垂直距离太远，可能会使磁场强度变弱，导致微镜转角变小。因此，为保证镜面30有足够的自由转动空间，使镜面30在转动过程中不会受到阻挡，以及避免干涉和对磁场强度的影响，第一磁铁组41和第二磁铁组42放置在框架10下方一定距离。具体的，第一磁铁组41、第二磁铁组42和框架10之间的垂直距离范围均在0.2-0.4mm，例如0.3mm。
第一磁铁组41和第二磁铁组42在第一转轴21方向上需具有一定间距，使第一磁铁组41和第二磁铁组42不连接。若第一磁铁组41和第二磁铁组42连接在一起，那么当平行X方向的磁铁(第一磁铁组41)尺寸变大或变小后，Y方向的力矩也随着增加或降低，因此限制了对X方向和Y方向力矩调整的自由度。优选的，该间距设置为大于或等于1mm，例如第一磁铁411和第三磁铁421在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第一磁铁411和第四磁铁422在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第二磁铁412和第三磁铁421在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第二磁铁412和第四磁铁422在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm。磁铁尺寸调整空间过小；若该间距过大，由于第二磁铁组42在X方向上需要靠近线圈50，所以第二磁铁组42不能往线圈50的外侧移动太多，因此限制了第一磁铁组41在X方向上的尺寸，使得其尺寸减小，导致第一磁铁组41与线圈50产生的驱动力减小，不能满足镜面30转动的驱动力要求。因此，该间距优选范围为0.5-2mm，进一步优选为1-1.5mm，最优为1mm。第一磁铁组41在X方向上的位置不能阻挡第一框架11和线圈50的转动。
在第二转轴22方向上，第二磁铁组42的位置不能阻挡第一框架11和线圈50的转动，因此，在第二转轴22方向上第二磁铁组42设置于线圈50和第一框架11的外边缘以外。
磁铁40可以采用永磁铁，包括钕铁硼强磁铁，钐钴磁铁等。磁铁30沿厚度方向充磁，其形状可以为长方体或立方体。
线圈50设置于框架10上，优选位于镜面30的正面一侧。线圈50设置在镜面30的正面一侧，方便走线和信号引出。且因镜面30的背面一侧一般会有其他结构，例如刻蚀，以及后期的剪薄操作，若将线圈50设置在镜面30的背面一侧，则会与其他结构之间产生干涉，或者在剪薄操作时被裁剪掉。线圈50为平面线圈，设置在镜面30的正面一侧也不会遮挡出射激光的光路。线圈50可以通过粘贴或卡扣的方式固定于框架10的第一框架11。
线圈50包括沿第一转轴方向设置的第一段线圈51和第二段线圈52，以及沿第二转轴方向设置的第三段线圈53和第四段线圈54。第一段线圈51与第一磁铁411产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第一方向(Z)的驱动力，第二段线圈52与第二磁铁412产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第二方向(-Z)的驱动力，第三段线圈53与第三磁铁421产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第一方向(Z)的驱动力，第四段线圈54与第四磁铁422产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第二方向(-Z)的驱动力。第一段线圈51和第二段线圈52沿第一转轴21对称，第三段线圈53和第四段线圈54沿第二转轴22对称。
为了增加磁场力的大小，第一磁铁组41沿第一转轴21方向的长度不小于线圈50沿第一转轴21方向的长度(也即第一段线圈51的长度或第二段线圈52的长度)，第二磁铁组42沿第二转轴22方向的长度不小于线圈50沿第二转轴22方向的长度(也即第三段线圈53的长度或第四段线圈54的长度)。例如，第一磁铁411和第二磁铁412的尺寸为12*7.5*10mm，第三磁铁421和第四磁铁422的尺寸为7*4*10mm。
本发明实施例中，由于驱动X方向扭转的磁铁和Y方向扭转的磁铁是独立的，即X方向转轴受到的力矩和Y方向转轴受到的力矩可以独立调节。如果MEMS微镜在Y方向运动时，X方向也会产生一定的响应，那么通过增大Y方向磁铁(用于驱动X方向运动)的尺寸，减小X方向磁铁(用于驱动Y方向运动)的尺寸，可以降低驱动Y方向运动的磁铁对X方向运动的影响。在不需要改变微镜设计结构的前提下，通过调整磁铁尺寸可降低X方向和Y方向转轴运动的相互干扰的可能性。当平行于X方向的第一磁铁组中磁铁的尺寸改变后，Y方向的力矩将不会随着变化。
如图5和图6所示，在另一实施例中，设置有上下两组磁铁，下方的磁铁与前述实施例中类似，包括一对磁铁用于提供X方向转轴的力矩，一对磁铁用于提供Y方向转轴的力矩。上方的磁铁包括一对磁铁用于提供X方向转轴的力矩，一对磁铁用于提供Y方向转轴的力矩。本发明实施例通过在上方增设两对磁铁，增加了磁场力的大小。同时同组磁铁中驱动X方向转轴和Y方向转轴的磁铁均是独立的，降低了第一转轴和第二转轴运动时的相互干扰。
除前述实施例中描述的MEMS微镜1的结构，该MEMS微镜1中的磁铁40还包括相互独立的第三磁铁组43和第四磁铁组44，第三磁铁组43和第四磁铁组44位于镜面30的正面一侧，第三磁铁组43与第一磁铁组41之间相互排斥，第四磁铁组44与第二磁铁组42之间相互排斥。
第三磁铁组43包括至少一对磁铁，第四磁铁组44包括至少一对磁铁，第三磁铁组43与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的驱动力，第四磁铁组44与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的驱动力。
第三磁铁组43包括一对磁铁：第五磁铁431和第六磁铁432，第五磁铁431和第六磁铁432以第一转轴21为中心轴对称设置，且以镜面30为中心对称设置。第五磁铁431与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第二方向的驱动力，第六磁铁432与线圈50产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第一方向的驱动力，第二方向与第一方向相反。第四磁铁组44也包括一对磁铁：第七磁铁441和第八磁铁442，第七磁铁441和第八磁铁442以第二转轴22为中心轴对称设置，且以镜面30为中心对称设置。第七磁铁441与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第四方向的驱动力，第八磁铁442与线圈50产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第三方向的驱动力，第三方向与第四方向相反。
若第三磁铁组43、第四磁铁组44和框架10之间的垂直距离太近，可能会使会第三磁铁组43、第四磁铁组44接触到框架10，与框架上的金线产生干涉；若第三磁铁组43、第四磁铁组44和框架10之间的垂直距离太远，可能会使磁场强度变弱，导致微镜转角变小。因此，为保证镜面30有足够的自由转动空间，使镜面30在转动过程中不会受到阻挡，以及避免干涉和对磁场强度的影响，第三磁铁组43和第四磁铁组44放置在框架10下方一定距离。具体的，第三磁铁组43、第四磁铁组44和框架10之间的垂直距离范围均在0.2-0.4mm，例如0.3mm。
第五磁铁431和第七磁铁441在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第五磁铁431和第八磁铁442在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第六磁铁432和第七磁铁441在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm，第六磁铁432和第八磁铁442在第一转轴21方向上的间距大于或等于1mm。
第一段线圈51与第五磁铁431产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第一方向Z的驱动力，第二段线圈52与第六磁铁432产生驱动镜面30绕第一转轴21扭转的第二方向-Z的驱动力，第三段线圈53与第七磁铁441产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第一方向Z的驱动力，第四段线圈54与第八磁铁442产生驱动镜面30绕第二转轴22扭转的第二方向-Z的驱动力。第一段线圈51和第二段线圈52沿第一转轴21对称，第三段线圈53和第四段线圈54沿第二转轴22对称。
由于第三磁铁组43和第四磁铁组44设置在镜面30的正面一侧，因此为了不遮挡光路，并保证线圈50和第一框架11在转动过程中不会受到阻挡，第五磁铁431、第六磁铁432、第七磁铁441和第八磁铁442在水平方向上设置于线圈50和第一框架11的外边缘以外。
为了增加磁场力的大小，第三磁铁组43沿第一转轴21方向的长度不小于线圈50沿第一转轴21方向的长度(也即第一段线圈51的长度或第二段线圈52的长度)，第四磁铁组44沿第二转轴22方向的长度不小于线圈50沿第二转轴22方向的长度(也即第三段线圈53的长度或第四段线圈54的长度)。例如，第五磁铁431和第六磁铁432的尺寸为12*7.5*10mm，第七磁铁441和第八磁铁442的尺寸为7*4*10mm。
下面对MEMS微镜1的固定结构进行说明。如图7所示，该MEMS微镜1还包括外壳80，外壳80包括顶板81、中壳82和底板83。顶板81可螺接固定于中壳82的顶部，底板83可螺接固定于中壳82的底部。中壳82内设置有容纳空间，用于容纳框架10及其上的转轴20、镜面30和线圈50，以及下方的磁铁40。具体的，如图8所示，中壳82从顶部朝内开设有第一容纳孔821，用于容纳框架10及其上的转轴20、镜面30。如图9所示，中壳82从底部朝内开设有多个第二容纳孔822，用于容纳下方的磁铁40，第二容纳孔822的数量和下方的磁铁40的数量相同。下方的磁铁40固定于底板83上。上方的磁铁40固定于顶板81上。
如图10所示，MEMS微镜1还包括导磁柱60，导磁柱60设置于第一磁铁组41和第二磁铁组42围合形成的空间内，且从俯视角度看，导磁柱60完全位于线圈50的内轮廓内。导磁柱60固定于底板83上。导磁柱60由钢等磁导材料制成，为磁场提供了较低的磁阻路径，对于给定的磁场强度，可以提供更大的驱动扭矩。
基于上述激光雷达，本发明实施例提出了一种包含上述实施例中的激光雷达的自动驾驶设备，该自动驾驶设备可以是汽车、飞机、船以及其他涉及到使用激光雷达进行智能感应和探测的设备，该自动驾驶设备包括设备本体以及如上实施例的激光雷达，激光雷达安装于设备本体。
如图11所示，该自动驾驶设备200为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车身侧面。如图12所示，该自动驾驶设备200同样为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车顶。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (12)
1.一种MEMS微镜(1)，其特征在于，包括框架(10)、转轴(20)、镜面(30)、磁铁(40)和线圈(50)；
所述转轴(20)包括互相垂直的第一转轴(21)和第二转轴(22)；
所述镜面(30)通过所述转轴(20)与所述框架(10)连接，所述镜面(30)用于反射激光光束，所述镜面(30)能够绕所述第一转轴(21)和第二转轴(22)扭转；
所述线圈(50)设置于所述框架(10)上；
所述磁铁(40)包括相互独立的第一磁铁组(41)和第二磁铁组(42)，所述第一磁铁组(41)包括至少一对磁铁，所述第二磁铁组(42)包括至少一对磁铁，所述第一磁铁组(41)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第一转轴(21)扭转的驱动力，所述第二磁铁组(42)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第二转轴(22)扭转的驱动力。
2.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第一磁铁组(41)和所述第二磁铁组(42)位于所述镜面(30)的背面一侧。
3.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述线圈(50)位于所述镜面(30)的正面一侧。
4.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述磁铁(40)和所述框架(10)之间的垂直距离范围为0.2-0.4mm。
5.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第一磁铁组(41)沿所述第一转轴(21)方向的长度不小于所述线圈(50)沿所述第一转轴(21)方向的长度，所述第二磁铁组(42)沿所述第二转轴(22)方向的长度不小于所述线圈(50)沿所述第二转轴(22)方向的长度。
6.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第一磁铁组(41)的至少一对磁铁包括第一磁铁(411)和第二磁铁(412)，所述第一磁铁(411)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第一转轴(21)扭转的第一方向的驱动力，所述第二磁铁(412)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第一转轴(21)扭转的第二方向的驱动力，所述第二方向与所述第一方向相反；
所述第二磁铁组(42)的至少一对磁铁包括第三磁铁(421)和第四磁铁(422)，所述第三磁铁(421)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第二转轴(22)扭转的第三方向的驱动力，所述第四磁铁(422)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第二转轴(22)扭转的第四方向的驱动力，所述第三方向与所述第四方向相反。
7.根据权利要求6所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第一磁铁(411)和所述第二磁铁(412)以所述第一转轴(21)为中心轴对称设置，且以所述镜面(30)为中心对称设置，所述第三磁铁(421)和所述第四磁铁(422)以所述第二转轴(22)为中心轴对称设置，且以所述镜面(30)为中心对称设置。
8.根据权利要求6所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第一磁铁(411)和所述第三磁铁(421)在所述第一转轴(21)方向上的间距大于或等于1mm，所述第一磁铁(411)和所述第四磁铁(422)在所述第一转轴(21)方向上的间距大于或等于1mm，所述第二磁铁(412)和所述第三磁铁(421)在所述第一转轴(21)方向上的间距大于或等于1mm，所述第二磁铁(412)和所述第四磁铁(422)在所述第一转轴(21)方向上的间距大于或等于1mm。
9.根据权利要求1所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述磁铁(40)还包括相互独立的第三磁铁组(43)和第四磁铁组(44)，所述第三磁铁组(43)和所述第四磁铁组(44)位于所述镜面(30)的正面一侧，所述第三磁铁组(43)与所述第一磁铁组(41)之间相互排斥，所述第四磁铁组(44)与所述第二磁铁组(42)之间相互排斥；
所述第三磁铁组(43)包括至少一对磁铁，所述第四磁铁组(44)包括至少一对磁铁，所述第三磁铁组(43)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第一转轴(21)扭转的驱动力，所述第四磁铁组(44)与所述线圈(50)产生驱动所述镜面(30)绕所述第二转轴(22)扭转的驱动力。
10.根据权利要求9所述的MEMS微镜(1)，其特征在于，所述第三磁铁组(43)沿所述第一转轴(21)方向的长度不小于所述线圈(50)沿所述第一转轴(21)方向的长度，所述第四磁铁组(44)沿所述第二转轴(22)方向的长度不小于所述线圈(50)沿所述第二转轴(22)方向的长度。
11.一种激光雷达(100)，其特征在于，所述激光雷达(100)包括发射模组(2)、根据权利要求1-18任一项所述的MEMS微镜(1)、接收模组(3)和测距模组(4)；
所述发射模组(2)用于发射出射激光；
所述MEMS微镜(1)用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向探测区域，还用于接收回波激光并将所述回波激光反射后射向所述接收模组(3)；所述回波激光为所述出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的激光；
所述接收模组(3)用于接收所述回波激光；
所述测距模组(4)用于根据所述出射激光和所述回波激光计算所述探测区域内的物体的距离信息。
12.一种自动驾驶设备(200)，其特征在于，包括权利要求12所述的激光雷达(100)。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200821 |