CN111983623B - 二维扫描装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维扫描装置及其驱动方法。所述二维扫描装置包括：扫描部及驱动部；扫描部包括扫描板、和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相垂直，多个扭转臂包括沿第一轴线延伸的第一扭转臂、沿第二轴线延伸的第二扭转臂、以及沿平行于第一轴线的方向延伸的第三扭转臂；驱动部适于通过驱动信号驱动扫描部，第一扭转臂、第二扭转臂和第三扭转臂适于在驱动信号的作用下分别以各自的工作频率振荡，其中，第二工作频率大于第一工作频率，且第三工作频率是第二工作频率的偶数倍，以使得扫描板对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。

Description

二维扫描装置及其驱动方法

本申请是2019年4月30日提交的中国专利申请201910367254.X(发明名称为“二维扫描装置及其驱动方法”)的分案申请。

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种二维扫描装置及其驱动方法。

背景技术

激光雷达是一种将激光技术与光电探测技术相结合的先进探测方式。激光雷达因其分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小及重量轻等优势，被广泛应用于自动驾驶、交通通讯、无人机、智能机器人、能源安全检测、资源勘探等领域。

激光雷达可以采用振镜实现光束的偏转，具体而言，振镜包括反射镜，一光束可射至反射镜上，然后被反射镜反射至一目标探测区域上；通过反射镜围绕两个相互垂直设置的扭转臂摆动，可使光束偏转，且被反射的光束在探测区域上沿着一预定轨迹移动而构成一影像。并且，反射镜围绕着两个相互垂直设置的扭转臂摆动的速度一般不同，而根据摆动速度的相对大小，将摆动速度相对较大的被绕扭转臂称作快轴，相应地，反射镜绕快轴的摆动为快轴方向的摆动，使得反射镜实现快轴方向的扫描，得到快轴方向的光束扫描轨迹线；而将摆动速度相对较小的被绕扭转臂称作慢轴，相应地，反射镜绕慢轴的摆动为慢轴方向的摆动，使得反射镜实现慢轴方向的扫描，得到慢轴方向的光束扫描轨迹线。

在基于扫描振镜的激光雷达中，光束扫描的轨迹多呈“之”字形，这样得到的点云质量较低，且在后续处理中会存在各种问题，比如在扫描振镜的点云数据与摄像头的图像数据进行融合时，会增加算法的复杂度。

发明内容

参考图1和图2，图1是扫描振镜的一种扫描轨迹，图2是扫描振镜的另一种扫描轨迹，在图1及图2中，横轴为快轴方向，纵轴为慢轴方向。如背景技术所述，现有的扫描振镜与摄像头的数据融合较为复杂，其原因在于摄像头的数据是正交格点排布的，而如图1所示的扫描振镜的“之”字形扫描轨迹生成的点云数据是非正交排布。为了提高扫描振镜与摄像头二者数据的匹配度，可以使扫描振镜近似呈现如图2所示的光栅式扫描，由此生成的点云数据是正交排布，会简化扫描振镜与摄像头的数据融合算法。

经过大量实验验证及理论推导，发明人发现，为了实现图2所示的光栅式扫描，关键在于使得扫描部反射光束形成的扫描轨迹在慢轴方向上的偏移量具有阶梯波形，而阶梯波形可以分解为一个低频的扫描波形和一个高频的锯齿波之和，此锯齿波的频率为快轴方向运动频率的两倍，扫描振镜的慢轴为了达到较大的振幅，可以将其一阶谐振频率设计为接近工作频率，而快轴工作频率会远高于慢轴的工作频率，这就导致仅有一阶谐振频率的慢轴很难实现慢轴运动频率为快轴运动频率的两倍。为了解决这一问题，需要在振镜中设计出一个在慢轴方向具有扫描运动的高频模态，使之接近快轴工作频率的二倍。

为了实现这种近似光栅式的二维扫描，且同时不影响扫描振镜面积和扫描板的镜面尺寸，本发明实施例提供一种二维扫描装置，包括：扫描部及驱动部；所述扫描部，包括：扫描板、和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，所述多个扭转臂包括：沿所述第一轴线延伸的第一扭转臂、沿所述第二轴线延伸的第二扭转臂、以及沿平行于所述第一轴线的方向延伸的第三扭转臂；

所述驱动部，适于通过驱动信号驱动所述扫描部摆动，所述第一扭转臂、所述第二扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍，以使得所述扫描板近似对目标空间进行光栅式二维扫描。需要说明的是，在本申请中，第一扭转臂及第三扭转臂对应慢轴，第二扭转臂对应快轴，下面的实施例均以此对应关系为例子进行说明。

可选地，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述第一驱动分量的作用下分别以所述第一工作频率和所述第三工作频率振荡，所述第二扭转臂适于在所述第二驱动分量的作用下以所述第二工作频率振荡；

所述第一驱动分量包括频率为所述第二驱动分量的频率的二倍的驱动子分量，且所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

可选地，所述第一驱动分量还包括频率为所述第二驱动分量的频率的四倍的驱动子分量。

可选地，所述第一驱动分量包括第一驱动子分量和第二驱动子分量；其中，所述第一扭转臂适于在所述第一驱动子分量的作用下以第一工作频率振荡，所述第三扭转臂适于在所述第二驱动子分量的作用下以第三工作频率振荡，所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的二倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

可选地，所述第一扭转臂的工作频率为所述二维扫描装置的扫描帧频的1/2。

可选地，所述扫描部还包括：外框，所述扫描板设置于所述外框内；以及支撑部，设置于所述外框的***，且与所述外框之间有预设距离；其中，所述外框通过所述第一扭转臂耦接至所述支撑部，所述第二扭转臂和所述第三扭转臂相连接形成复合扭转臂，所述扫描板通过所述复合扭转臂耦接至所述外框。

可选地，所述扫描部包括两个所述第一扭转臂，所述两个第一扭转臂相对于所述第二轴线对称地设置于所述外框的两侧；和/或所述扫描部包括两个由所述第二扭转臂和所述第三扭转臂形成的复合扭转臂，所述两个复合扭转臂相对于所述第一轴线对称地设置于所述扫描板的两侧。

可选地，每个所述第三扭转臂包括相互平行的第一子扭转臂和第二子扭转臂，所述第一子扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂与所述外框耦接，所述第二扭转臂的两端分别与所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂耦接；其中，所述第一子扭转臂的长度不大于所述扫描板的直径。

可选地，还包括两个第四扭转臂，所述第一子扭转臂的两端分别通过所述两个第四扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂的两端直接与所述外框连接。

可选地，所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂相对于所述第二轴线对称设置。

可选地，所述外框为椭圆形，所述外框的长轴与所述第二轴线共线，所述外框的短轴与所述第一轴线共线；或者，所述外框为矩形。

本发明实施例还提供一种二维扫描装置的驱动方法，用于驱动本发明实施例的二维扫描装置，所述驱动方法包括：向所述驱动部输入驱动信号，所述驱动信号适于驱动所述扫描部摆动，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述第一驱动分量的作用下分别以所述第一工作频率和所述第二工作频率振荡，所述第二扭转臂适于在所述第二驱动分量的作用下以所述第三工作频率振荡；

所述第一驱动分量包括频率是所述第二驱动分量的频率的两倍的驱动子分量，且所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

可选地，所述第一驱动分量还包括频率为所述第二驱动分量的频率的四倍的驱动子分量。

可选地，所述第一驱动分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线摆动形成的光束扫描轨迹线具有阶梯波形；所述第二驱动分量适于驱动所述扫描板围绕所述第二轴线摆动，且所述扫描板围绕所述第二轴线摆动形成的光束扫描轨迹线具有正弦波形。

可选地，所述第一驱动分量包括第一驱动子分量和第二驱动子分量，所述第一扭转臂适于在所述第一驱动子分量的作用下以所述第一工作频率振荡，所述第三扭转臂适于在所述第二驱动子分量的作用下以所述第三工作频率振荡，所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的二倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

可选地，所述第一驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动形成的光束扫描轨迹线具有三角波形；所述第二驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动形成的光束扫描轨迹线具有锯齿波形。

可选地，所述第一驱动子分量的频率等于所述二维扫描装置的扫描帧频的1/2，所述第一驱动子分量的波峰峰值根据所述二维扫描装置的绕所述第一轴线摆动达到的最大视场角确定。

可选地，在向所述驱动部输入所述驱动信号之前，所述驱动方法还包括：产生所述驱动信号。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例的二维扫描装置包括扫描部和驱动部。所述扫描部的第一扭转臂、第二扭转臂和第三扭转臂适于在驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，且所述扫描板分别绕所述第一轴线、所述第二轴线、和所述第一轴线转动。其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍。通过设计三种扭转臂的工作频率满足预设的大小关系，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂可以分别作为所述扫描板绕第一轴线的方向(例如慢轴方向)的扫描运动的一阶模态扭转轴和高阶模态扭转轴，而所述第二扭转臂可以作为所述扫描板绕第二轴线方向(例如快轴方向)的扫描运动的一阶模态扭转轴，相比于现有技术，本发明实施例的二维扫描装置中增加了绕其中第一轴线方向(慢轴方向)扫描的高阶模态扭转轴，所述高阶模态扭转轴能够以相对较高的频率对扫描板的二维扫描轨迹作小角度的修正，进而实现近似光栅式的二维扫描。

进一步地，所述扫描部还包括外框和支撑部，所述外框通过所述第一扭转臂耦接至所述支撑部，所述第二扭转臂和所述第三扭转臂相互连接形成复合扭转臂，所述扫描板通过所述复合扭转臂耦接至所述外框。其中所述第一扭转臂直接作用于外框，外框转动进而带动所述扫描板转动，所述复合扭转臂则直接作用于所述外框和所述扫描板，由于一般外框的质量较大，工作频率较低，所述第一扭转臂对应为慢轴，而扫描板的质量较小，工作频率较高，所述第二扭转臂对应为快轴。由于所述第三扭转臂和所述第二扭转臂之间有连接关系，可以合理利用所述扫描板与所述外框之间的空间，使得结构设计更为紧凑，避免因额外设置所述第三扭转臂而引起器件面积的增大或扫描板的镜面尺寸的缩小。

进一步地，所述第三扭转臂包括相互平行的第一子扭转臂和第二子扭转臂，所述第一子扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂与所述外框耦接，所述第二扭转臂的两端分别与所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂耦接；其中，所述第一子扭转臂的长度不大于所述扫描板的直径，一方面能够避免因第二扭转臂和所述第三扭转臂构成的“工”字型结构的复合扭转臂，而可能导致的所述扫描装置的整体的面积增大，另一方面能够在具有固定的扫描装置的尺寸下，避免因所述第二扭转臂和所述第三扭转臂构成的“工”字型结构的复合扭转臂而导致的所述扫描板的镜面尺寸的缩小。

本发明实施例还提供一种二维扫描装置的驱动方法，用于驱动本发明实施例的二维扫描装置，所述驱动方法包括：向所述驱动部输入驱动信号，所述驱动信号适于驱动所述扫描部摆动，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述第一驱动分量的作用下分别以所述第一工作频率和所述第二工作频率振荡，所述第二扭转臂适于在所述第二驱动分量的作用下以所述第三工作频率振荡，进而所述扫描板围绕所述第一轴线、第二轴线及第一轴线转动。由于所述第一驱动分量的频率是所述第二驱动分量的频率的两倍，因此所述扫描板围绕所述第一轴线转动的频率近似为所述扫描板围绕所述第二轴线转动的频率的两倍，又由于所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，所述扫描板能够在其绕第二轴线转动形成的快轴方向的扫描线的两端收窄处完成两次在慢轴方向的扫描位置修正，进而实现近似光栅式的二维扫描。进一步地，所述第一驱动分量不仅包括频率为所述第二驱动分量的频率两倍的驱动子分量，还可以包括频率为所述第二驱动分量的频率四倍的驱动子分量，这样会在所述扫描板的每条快轴方向扫描线的两端收窄处叠加一个或多个高频步进的小角度修正，使得倾斜的快轴方向扫描线更加趋近于水平扫描线，从而更加精准地实现光栅式二维扫描。

进一步地，所述第一驱动分量包括第一驱动子分量和第二驱动子分量；其中，所述第一扭转臂响应于所述第一驱动子分量以所述第一工作频率振荡，所述第三扭转臂响应于所述第二驱动子分量以所述第三工作频率振荡，由于所述第二驱动子分量的频率高于所述第一驱动子分量的频率，所述第一扭转臂可以作为慢轴一阶模态扭转轴，所述第一扭转臂的工作频率决定了所述二维扫描装置的扫描帧频率，所述第一扭转臂的最大振幅决定了所述二维扫描装置绕第一轴线摆动所能达到的最大扫描视场；又由于所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的2倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，所述第三扭转臂可以作为慢轴高阶扭转轴在快轴扫描得到的扫描线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使所述扫描板的快轴扫描线在其两端完成在慢轴方向的台阶式移动，进而实现近似光栅式的二维扫描。

附图说明

图1是扫描振镜的一种扫描轨迹；

图2是扫描振镜的另一种扫描轨迹；

图3是本发明一个实施例的扫描振镜10的结构示意图；

图4是本发明另一个实施例的二维扫描装置20的结构框图；

图5是本发明一个实施例的扫描部21在所述驱动部22接入的驱动信号作用下反射光束形成的扫描轨迹线的运动波形及分解图；

图6是本发明另一个实施例的二维扫描装置30的结构框图；

图7是本发明一个实施例的所述二维扫描装置30的扫描部31的结构示意图；

图8是图7所示的二维扫描装置30的扫描部31的一种运动模态示意图；

图9是本发明一个实施例的二维扫描装置的驱动方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

如上所述，目前，在基于扫描振镜的激光雷达中，光束扫描的轨迹多呈“之”字形，这样得到的点云质量较低，且在后续处理中会存在各种问题。

为了实现近似光栅式的二维扫描，本发明提供了多种二维扫描装置的实施例。比如，参考图3，图3是本发明一个实施例中的一种扫描振镜10的结构示意图。所述扫描振镜10包括沿第一轴线延伸的第一扭转臂11和第三扭转臂13、沿第二轴线延伸的第二扭转臂12、扫描板15和外框16。物体在外部激励下会产生动力响应，而模态则可用以分析表征物体在激励状态下的动力响应的状态，在此处，所述第一扭转臂11可以作为慢轴一阶模态扭转轴、所述第二扭转臂12可以作为快轴一阶模态扭转臂，所述第三扭转臂13可以作为慢轴高频模态扭转轴。所述第三扭转臂13的高频模态能够在快轴扫描得到的扫描线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使所述扫描板15的快轴扫描线在其两端完成在慢轴方向的台阶式移动。但是，相对而言，由于所述第三扭转臂13的设置占据了原本属于扫描板15的部分空间，故本实施例中的振镜的结构不够紧凑，会造成器件面积增大、或是镜面尺寸缩小等。

进一步地，为了实现这种近似光栅式的二维扫描、同时不影响扫描振镜的面积和扫描板的镜面尺寸，本发明实施例提供了另一种二维扫描装置。具体可以参考图4，图4是本发明另一个实施例的二维扫描装置20的结构框图。在一些实施例中，所述二维扫描装置20可以包括扫描部21及驱动部22。

所述扫描部21包括扫描板210、和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，所述多个扭转臂包括：沿第一轴线延伸的第一扭转臂211、沿第二轴线延伸的第二扭转臂212、以及沿平行于所述第一轴线的方向延伸的第三扭转臂213。

在一些实施例中，所述第三扭转臂213和所述第一扭转臂211不共线。

在一些实施例中，所述扫描部21可以包括两个所述第一扭转臂211、两个所述第二扭转臂212及两个所述第三扭转臂213，所述两个第一扭转臂211相对于所述第二轴线对称地设置于所述扫描板210的两侧，所述两个第二扭转臂212相对于所述第一轴线对称地设置于所述扫描板210两侧，所述两个所述第三扭转臂213相对于所述第一轴线对称地设置于所述扫描板210两侧。

所述驱动部22适于通过驱动信号驱动所述扫描部21，所述第一扭转臂211、所述第二扭转臂212和所述第三扭转臂213在所述驱动信号的作用下可以分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，相对应地，所述扫描板210绕所述第一轴线有一个低频转动，且绕所述第二轴线高频转动，及绕第一轴线又有一个更高频转动，其中，所述第三工作频率大于所述第二工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍，以使得所述扫描板210对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。

对于任一扭转臂而言，当外界的激励频率等于其固有频率时，该扭转臂会发生谐振(或共振)。当第一扭转臂211、所述第二扭转臂212和所述第三扭转臂213均工作在谐振状态下时，这里所说的“工作频率”约等于每个扭转臂的谐振频率。

需要说明的是，在驱动信号的驱动下，第一扭转臂211、第二扭转臂212及第三扭转臂213响应于驱动信号工作的过程中，并不存在特定的先后顺序。并且，为了提高抗干扰能力，在具体实施中，第一扭转臂211也可以工作在非谐振状态。因此，可以通过设计所述第一扭转臂211、所述第二扭转臂212、和所述第三扭转臂213各自的固有频率，以及输入具有预定波形和预定频率的驱动信号，来控制所述二维扫描装置20对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。

在一些实施例中，所述驱动信号可以包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，在所述第一驱动分量的驱动作用下，所述第一扭转臂211和所述第三扭转臂213可以响应于第一驱动分量，分别以所述第一工作频率和所述第三工作频率振荡，在所述第二驱动分量的驱动作用下，所述第二扭转臂212可以响应于第二驱动分量以所述第二工作频率振荡。其中所述第三工作频率可以为所述第一工作频率的两倍，且所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

在一些实施例中，所述第一驱动分量在包括频率为所述第二驱动分量的频率的两倍的驱动子分量的基础上，还可以额外包括频率为所述第二驱动分量的频率的四倍的驱动子分量，进而甚至还可以再额外包括频率为所述第二驱动分量的频率的六倍的驱动子分量，从而可以使得倾斜的快轴扫描线，也就是绕快轴摆动实现的光束扫描轨迹线更加趋近于水平扫描线，以便更加精准地实现光栅式扫描。相应地，所述二维扫描装置20应当再额外增加至少两个能在所述四倍频的驱动子分量的驱动作用下产生谐振的扭转臂，甚至再增加至少两个能在所述六倍频的驱动子分量的驱动作用下产生谐振的扭转臂。换言之，驱动子分量与扭转臂的设置可以相互配合作用，调整了驱动子分量的成分，相配合地则需要设置可以响应该驱动子分量的扭转臂。

在其它实施例中，所述第一驱动分量还可以包括频率为所述第二驱动分量的频率的八倍，甚至是十倍等偶数倍的驱动子分量，在此不再一一赘述，但这些均在本发明的保护范围之内。

在一些实施例中，所述第一扭转臂211的工作频率为所述二维扫描装置20的扫描帧频的1/2。

结合参考图5，图5是本发明一个实施例的扫描部21在所述驱动部22接入的驱动信号作用下进行摆动，偏转反射光束形成的光束扫描轨迹线的运动波形及分解波形图，横轴表示时间，纵轴表征光束偏移量的大小，对于任一时刻，纵轴为零的位置为平衡位置对应的光束偏移量，平衡位置为扫描板所在平面平行于与被绕轴线垂直的轴线的位置，比如扫描板绕第一轴线摆动，平衡位置为扫描板所在平面平行于第二轴线的位置。

在一些实施例中，所述驱动部22接入的驱动信号可以分解为第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一驱动分量适于驱动所述扫描板210围绕所述第一轴线摆动，且所述扫描板210围绕所述第一轴线摆动形成的光束扫描轨迹具有阶梯波形S1。所述第二驱动分量适于驱动所述扫描板210围绕所述第二轴线摆动，且所述扫描板210围绕所述第二轴线摆动形成的光束扫描轨迹具有正弦波形S2。其中，所述第一驱动分量又可分解为第一驱动子分量和第二驱动子分量，所述第一驱动子分量适于驱动所述扫描板210围绕所述第一轴线作慢轴低频的摆动，且所述扫描板210围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动形成的扫描轨迹具有三角波形S11；所述第二驱动子分量适于驱动所述扫描板210围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动，且所述扫描板210围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动形成的扫描轨迹具有锯齿波形S12。所述第一扭转臂211响应于所述第一驱动子分量的驱动以第一工作频率振荡，所述第二扭转臂212响应于所述第二驱动分量的驱动以第二工作频率振荡，所述第三扭转臂213响应于所述第二驱动子分量的驱动以第三工作频率振荡，所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的2倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。从而，扫描板绕第三扭转臂转动的频率为绕第二扭转臂转动的频率的二倍，从而使得被扫描板偏转的光束近似实现对目标探测区域的二维光栅扫描。

在所述第一驱动子分量、所述第二驱动子分量、和所述第二驱动分量三者的作用下，所述第一扭转臂211可以作为慢轴一阶模态扭转轴，所述第二扭转臂212可以作为快轴一阶模态扭转轴，所述第三扭转臂213可以作为慢轴高阶模态扭转轴，且慢轴高阶模态扭转轴的工作频率为快轴一阶模态扭转轴的工作频率的两倍，所述第三扭转臂可以作为慢轴高阶扭转轴，在快轴扫描得到的扫描轨迹线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使所述扫描板的快轴扫描轨迹线在其两端完成在慢轴方向的台阶式移动，因而能够实现近似光栅式的二维扫描。

为使本领域技术人员更容易实施本发明，本发明实施例还提供另一种二维扫描装置30。参考图6和图7，图6是本发明另一个实施例的二维扫描装置30的结构框图，图7是本发明一个实施例的所述二维扫描装置30的扫描部31的结构示意图。

所述二维扫描装置30包括扫描部31和驱动部32，所述扫描部31包括扫描板310、沿第一轴线延伸的第一扭转臂311、沿第二轴线延伸的第二扭转臂312、以及沿平行于所述第一轴线的方向延伸的第三扭转臂313，所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直。在一些实施例中，所述第三扭转臂313与所述第一扭转臂311非共线。

所述驱动部32适于通过驱动信号驱动所述扫描部31摆动，所述第一扭转臂311、所述第二扭转臂312和所述第三扭转臂313适于在所述驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，所述扫描板310绕所述第一轴线有一个低频摆动，绕所述第二轴线高频转动，且绕所述第一轴线还有一个高频小角度摆动，其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍，以使得所述扫描板310对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。

在一些实施例中，所述扫描部31还包括外框315和支撑部316(如图6所示，图7中未示出)。所述扫描板310设置于所述外框315内，所述支撑部316设置于所述外框315的***，且与所述外框315之间有预设距离。其中，所述外框315通过所述第一扭转臂311耦接至所述支撑部316，所述第二扭转臂312和所述第三扭转臂313相连接形成“工”字型的复合扭转臂314，所述扫描板310通过所述复合扭转臂314耦接至所述外框315。

在一些实施例中，所述扫描板310上设置有平面镜或者反射镜，平面镜或者反射镜具有光滑的表面，适于反射光束。所述支撑部316适于为第一扭转臂311提供支撑，在空间上位置固定。

如图6所示，在一些实施例中，所述扫描部31可以包括两个所述第一扭转臂311，所述两个第一扭转臂311相对于所述第二轴线对称地设置于所述外框315的两侧，所述扫描部31还可以包括两个由所述第二扭转臂312和所述第三扭转臂313相互连接形成的“工”字型的复合扭转臂314，所述两个复合扭转臂314相对于所述第一轴线对称地设置于所述扫描板310的两侧，且位于所述外框315和所述扫描板310之间的空间。

在一些实施例中，所述第三扭转臂313包括相互平行的第一子扭转臂313a和第二子扭转臂313b，所述第一子扭转臂313a与所述扫描板310耦接，所述第二子扭转臂313b与所述外框315耦接，所述第二扭转臂312的两端分别与所述第一子扭转臂313a和所述第二子扭转臂313b直接相连。换言之，第一子扭转臂313a与第二子扭转臂313b互相平行设置，但不共线，第一子扭转臂313a相对更靠近扫描板310，第二子扭转臂313b相对更靠近外框315。

具体地，所述第二扭转臂312的两端可以分别与所述第一子扭转臂313a的中点和所述第二子扭转臂313b的中点直接相连，从而形成“工”字型的复合扭转臂314。所述第一子扭转臂313a的固有频率和所述第二子扭转臂313b的固有频率可以相等。

在一些实施例中，所述第一子扭转臂313a的长度不大于所述扫描板310的直径，一方面能够避免所述第二扭转臂312和所述第三扭转臂313的“工”字型结构设计而导致的所述扫描部31的面积增大，另一方面，在具有固定的二维扫描装置的尺寸下，可以避免因所述第二扭转臂312和所述第三扭转臂313的“工”字型结构设计而导致的所述扫描板310的镜面尺寸的缩小。

在一些实施例中，所述第一子扭转臂313a和所述第二子扭转臂313b均各自有两个，且两个第一子扭转臂313a各自相对于所述第一轴线对称设置，所述第二子扭转臂313b各自相对于所述第一轴线对称设置，每个第一子扭转臂313a各自相对于所述第二轴线对称，每个第二子扭转臂313b各自相对于所述第二轴线对称。

在一些实施例中，所述二维扫描装置30还包括两个第四扭转臂317(如图7所示)，所述第一子扭转臂313a的两端分别通过所述两个第四扭转臂317与所述扫描板310耦接，所述第二子扭转臂313b的两端直接与所述外框315连接。具体地，所述两个第四扭转臂317可以分别沿平行于所述第二轴线的方向延伸，且关于所述第二轴线对称。

在一些实施例中，所述外框315可以为椭圆形，所述外框315的长轴与所述第二轴线共线，所述外框315的短轴与所述第一轴线共线。

在另一些实施例中，所述外框315可以为矩形，所述矩形的长可以与所述第二轴线平行，所述矩形的宽可以与所述第一轴线平行。

在其它实施例中，所述外框315也可以为其它形状，本发明实施例对此不作限制。

在一些实施例中，所述扫描板310可以为圆形，所述扫描板310与所述外框315同心设置。所述扫描板310上可以整个都设置有平面镜，所述扫描板310的整个表面的大小的平面镜都可以用来反射光束，或者所述扫描板310上一部分区域用以设置平面镜，所述扫描板310的所述一部分区域可以用来反射光束。

在一些实施例中，所述驱动部32可以包括电磁组件，例如包括磁体和驱动线圈，所述磁体适于产生磁场，所述磁场具有在所述驱动线圈所在平面内的磁场分量，所述驱动线圈可以设置于所述扫描部31上，所述驱动线圈适于接入驱动电流信号，并在所述磁场中受力旋转从而驱动所述扫描部31产生周期性运动。

在一些实施例中，所述驱动部32还可以包括信号发生器，所述信号发生器适于向所述驱动线圈输入具有特定波形和频率的驱动信号。

与前述实施例类似地，可以通过设计所述第一扭转臂311、所述第二扭转臂312、和所述第三扭转臂313各自的固有频率，以及输入具有预定波形和预定频率的驱动信号，来控制所述二维扫描装置31对目标空间进行近似光栅式的二维扫描。本实施例中，所述驱动信号包含的多个驱动分量以及所述第一扭转臂311、所述第二扭转臂312、和所述第三扭转臂313对各个驱动分量的响应均可参考图4至图5所示实施例，此处不再赘述。

参考图8，图8示出了图7所示的二维扫描装置30的扫描部31的一种运动模态，图8可以看作是图7的侧视图，其中省略了外框等部件。

所述第二扭转臂312在所述驱动信号的作用下发生振荡，且所述扫描板310能够偏离平衡位置发生转动，图8中的虚线示意出所述平衡位置。

本发明实施例还提供一种二维扫描装置的驱动方法，用于驱动本发明前述实施例的二维扫描装置。

参考图9，图9是本发明一个实施例的二维扫描装置的驱动方法的流程图。在一些实施例中，所述驱动方法包括步骤S43：向所述驱动部输入驱动信号，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂在所述第一驱动分量的作用下分别以所述第一工作频率和所述第二工作频率振荡，进而所述扫描板围绕所述第一轴线有一个低频摆动及一个高频摆动，所述第二扭转臂响应于所述第二驱动分量以第三工作频率振荡，进而所述扫描板围绕所述第二轴线高频摆动。

其中，所述第一驱动分量包括频率是所述第二驱动分量的频率的两倍的驱动子分量，使得在所述驱动信号的作用下、所述扫描板围绕所述第一轴线转动的高频频率接近于所述扫描板围绕所述第二轴线转动的频率的两倍。在一些实施例中，所述第一轴线对应绕慢轴方向，所述第二轴线对应快轴方向。并且，所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，所述第三扭转臂可以作为慢轴高阶扭转轴在快轴扫描得到的扫描线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使所述扫描板的快轴扫描线在其两端完成在慢轴方向的台阶式移动，进而实现近似光栅式的二维扫描。

在一些实施例中，所述第一驱动分量可以包括频率为所述第二驱动分量的频率两倍的驱动子分量，进而还可以额外包括频率为所述第二驱动分量的频率四倍的驱动子分量，甚至额外再包括频率为所述第二驱动分量的频率六倍的驱动子分量，这样会在所述扫描板形成的每条快轴扫描线的两端叠加一个或多个高频步进的小角度修正，使得倾斜的快轴扫描线更加趋近于水平扫描线，从而更加精准地实现光栅式二维扫描。在其它实施例中，所述第一驱动分量还可以依次再包括频率为所述第二驱动分量的频率的八倍，甚至是十倍等偶数倍的驱动子分量。

在一些实施例中，所述第一驱动分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线摆动形成的光束扫描轨迹具有如图5中S1所示的阶梯波形。所述第二驱动分量适于驱动所述扫描板围绕所述第二轴线摆动，且所述扫描板围绕所述第二轴线摆动形成的光束扫描轨迹线具有如图5中S2所示的正弦波形。

在一些实施例中，所述第一驱动分量可以包括第一驱动子分量和第二驱动子分量。其中，所述第一扭转臂响应于所述第一驱动子分量的驱动以所述第一工作频率振荡，所述第三扭转臂响应于所述第二驱动子分量的驱动以所述第三工作频率振荡。所述第一扭转臂可以作为所述扫描板绕第一轴线方向作扫描运动的一阶模态扭转轴，所述一阶模态扭转轴的工作频率决定了所述二维扫描装置的扫描帧频。并且，所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的二倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，即所述第三扭转臂响应于所述第二驱动子分量的驱动进行工作，可以作为所述扫描板绕所述第一轴线作扫描运动的慢轴高阶扭转轴，用于在所述扫描板绕所述第二轴线扫描形成的快轴扫描线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使得所述扫描板的快轴扫描线在其两端在慢轴方向产生台阶式的移动，进而实现光栅式扫描。

在一些实施例中，所述第一驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动形成的扫描轨迹具有如图5中的S11所示的三角波形。所述第二驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动形成的扫描轨迹线具有如图5中的S12所示的锯齿波形。

在一些实施例中，所述第一驱动子分量的频率等于所述二维扫描装置的扫描帧频的1/2，因为所述二维扫描装置的扫描帧频主要由所述第一扭转臂的工作频率确定。所述第一驱动子分量的波峰峰值可以根据所述二维扫描装置的绕所述第一轴线摆动达到的最大视场角决定，也称为慢轴视场角，因为所述二维扫描装置的慢轴视场主要由所述第一扭转臂的最大振幅确定。

在一些实施例中，在向所述驱动部输入所述驱动信号之前，所述驱动方法还可以包括步骤S41：产生所述驱动信号。具体地，所述驱动信号可以为单个驱动信号，所述单个驱动信号可以由多个驱动信号叠加而成。

综上所述，本发明实施例的二维扫描装置包括扫描部和驱动部。所述扫描部的第一扭转臂、第二扭转臂和第三扭转臂适于在驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，且所述扫描板分别绕所述第一轴线、所述第二轴线、和所述第一轴线转动。其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍。通过设计三种扭转臂的工作频率满足预设的大小关系，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂可以分别作为所述扫描板绕第一轴线的方向(例如慢轴方向)的扫描运动的一阶模态扭转轴和高阶模态扭转轴，而所述第二扭转臂可以作为所述扫描板绕第二轴线方向(例如快轴方向)的扫描运动的一阶模态扭转轴，相比于现有技术，本发明实施例的二维扫描装置中增加了绕其中第一轴线方向(慢轴方向)扫描的高阶模态扭转轴，所述高阶模态扭转轴能够以相对较高的频率对扫描板的二维扫描轨迹作小角度的修正，进而实现近似光栅式的二维扫描。

进一步地，所述扫描部还包括外框和支撑部，所述外框通过所述第一扭转臂耦接至所述支撑部，所述第二扭转臂和所述第三扭转臂相互连接形成复合扭转臂，所述扫描板通过所述复合扭转臂耦接至所述外框。其中所述第一扭转臂直接作用于外框，外框转动进而带动所述扫描板转动，所述复合扭转臂则直接作用于所述外框和所述扫描板，由于一般外框的质量较大，工作频率较低，所述第一扭转臂对应为慢轴，而扫描板的质量较小，工作频率较高，所述第二扭转臂对应为快轴。由于所述第三扭转臂和所述第二扭转臂之间有连接关系，可以合理利用所述扫描板与所述外框之间的空间，使得结构设计更为紧凑，避免因额外设置所述第三扭转臂而引起器件面积的增大或扫描板的镜面尺寸的缩小。

进一步地，所述第三扭转臂包括相互平行的第一子扭转臂和第二子扭转臂，所述第一子扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂与所述外框耦接，所述第二扭转臂的两端分别与所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂耦接；其中，所述第一子扭转臂的长度不大于所述扫描板的直径，一方面能够避免因第二扭转臂和所述第三扭转臂构成的“工”字型结构的复合扭转臂，而可能导致的所述扫描装置的整体的面积增大，另一方面能够在具有固定的扫描装置的尺寸下，避免因所述第二扭转臂和所述第三扭转臂构成的“工”字型结构的复合扭转臂而导致的所述扫描板的镜面尺寸的缩小。

本发明实施例还提供一种二维扫描装置的驱动方法，用于驱动本发明实施例的二维扫描装置，所述驱动方法包括：向所述驱动部输入驱动信号，所述驱动信号适于驱动所述扫描部摆动，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，所述第一扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述第一驱动分量的作用下分别以所述第一工作频率和所述第二工作频率振荡，所述第二扭转臂适于在所述第二驱动分量的作用下以所述第三工作频率振荡，进而所述扫描板围绕所述第一轴线、第二轴线及第一轴线转动。由于所述第一驱动分量的频率是所述第二驱动分量的频率的两倍，因此所述扫描板围绕所述第一轴线转动的频率近似为所述扫描板围绕所述第二轴线转动的频率的两倍，又由于所述第一驱动分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，所述扫描板能够在其绕第二轴线转动形成的快轴方向的扫描线的两端收窄处完成两次在慢轴方向的扫描位置修正，进而实现近似光栅式的二维扫描。进一步地，所述第一驱动分量不仅包括频率为所述第二驱动分量的频率两倍的驱动子分量，还可以包括频率为所述第二驱动分量的频率四倍的驱动子分量，这样会在所述扫描板的每条快轴方向扫描线的两端收窄处叠加一个或多个高频步进的小角度修正，使得倾斜的快轴方向扫描线更加趋近于水平扫描线，从而更加精准地实现光栅式二维扫描。

进一步地，所述第一驱动分量包括第一驱动子分量和第二驱动子分量；其中，所述第一扭转臂响应于所述第一驱动子分量以所述第一工作频率振荡，所述第三扭转臂响应于所述第二驱动子分量以所述第三工作频率振荡，由于所述第二驱动子分量的频率高于所述第一驱动子分量的频率，所述第一扭转臂可以作为慢轴一阶模态扭转轴，所述第一扭转臂的工作频率决定了所述二维扫描装置的扫描帧频率，所述第一扭转臂的最大振幅决定了所述二维扫描装置绕第一轴线摆动所能达到的最大扫描视场；又由于所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的二倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位，所述第三扭转臂可以作为慢轴高阶扭转轴在快轴扫描得到的扫描线的两端收窄处叠加高频小角度的修正信号，使所述扫描板的快轴扫描线在其两端完成在慢轴方向的台阶式移动，进而实现近似光栅式的二维扫描。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种二维扫描装置的驱动方法，所述二维扫描装置用于激光雷达，所述二维扫描装置包括扫描部及驱动部，其中所述扫描部包括：扫描板和沿第一轴线或第二轴线的方向延伸的多个扭转臂，所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，所述多个扭转臂包括沿所述第一轴线延伸的第一扭转臂、沿所述第二轴线延伸的第二扭转臂、以及沿平行于所述第一轴线的方向延伸的第三扭转臂；所述驱动部适于通过驱动信号驱动所述扫描部摆动，所述第一扭转臂、所述第二扭转臂和所述第三扭转臂适于在所述驱动信号的作用下分别以第一工作频率、第二工作频率和第三工作频率振荡，其中，所述第二工作频率大于所述第一工作频率，且所述第三工作频率是所述第二工作频率的偶数倍，使得所述扫描板对目标空间进行光栅式二维扫描，所述驱动方法包括：

向所述驱动部输入驱动信号，所述驱动信号包括具有不同频率的第一驱动分量和第二驱动分量，其中，

所述第一驱动分量适于驱动所述第一扭转臂和所述第三扭转臂分别以所述第一工作频率和所述第三工作频率振荡，并驱动所述扫描板围绕所述第一轴线摆动形成具有阶梯波形的光束扫描轨迹；

所述第二驱动分量适于驱动所述第二扭转臂以所述第二工作频率振荡，并驱动所述扫描板围绕所述第二轴线摆动形成具有正弦波形的光束扫描轨迹。

2.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述第一驱动分量还包括频率为所述第二驱动分量的频率的四倍的驱动子分量。

3.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述第一驱动分量包括第一驱动子分量和第二驱动子分量，

所述第一扭转臂适于在所述第一驱动子分量的作用下以所述第一工作频率振荡，所述第三扭转臂适于在所述第二驱动子分量的作用下以所述第三工作频率振荡，所述第二驱动子分量的频率为所述第二驱动分量的频率的二倍，且所述第二驱动子分量与所述第二驱动分量具有相同的初始相位。

4.如权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述第一驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴低频摆动形成的光束扫描轨迹线具有三角波形；

所述第二驱动子分量适于驱动所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动，且所述扫描板围绕所述第一轴线作慢轴高频摆动形成的光束扫描轨迹线具有锯齿波形。

5.如权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述第一驱动子分量的频率等于所述二维扫描装置的扫描帧频的1/2，所述第一驱动子分量的波峰峰值根据所述二维扫描装置的绕所述第一轴线摆动达到的最大视场角确定。

6.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在向所述驱动部输入所述驱动信号之前，所述驱动方法还包括：产生所述驱动信号。

7.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述扫描部还包括：

外框，所述扫描板设置于所述外框内；以及

支撑部，设置于所述外框的***，且与所述外框之间有预设距离；

其中，所述外框通过所述第一扭转臂耦接至所述支撑部，所述第二扭转臂和所述第三扭转臂相连接形成复合扭转臂，所述扫描板通过所述复合扭转臂耦接至所述外框。

8.如权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，所述扫描部包括两个所述第一扭转臂，所述两个第一扭转臂相对于所述第二轴线对称地设置于所述外框的两侧；和/或

所述扫描部包括两个由所述第二扭转臂和所述第三扭转臂形成的复合扭转臂，所述两个复合扭转臂相对于所述第一轴线对称地设置于所述扫描板的两侧。

9.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，每个所述第三扭转臂包括相互平行的第一子扭转臂和第二子扭转臂，所述第一子扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂与所述外框耦接，所述第二扭转臂的两端分别与所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂耦接；其中，所述第一子扭转臂的长度不大于所述扫描板的直径；

所述二维扫描装置还包括两个第四扭转臂，所述第一子扭转臂的两端分别通过所述两个第四扭转臂与所述扫描板耦接，所述第二子扭转臂的两端直接与所述外框连接；

所述第一子扭转臂和所述第二子扭转臂分别相对于所述第二轴线对称；

所述外框为椭圆形，所述外框的长轴与所述第二轴线共线，所述外框的短轴与所述第一轴线共线；或者，所述外框为矩形。

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