CN113219438B - 一种高精度mems激光雷达发射装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度MEMS激光雷达发射装置和方法，包括:激光发射模块，包括激光器和准直透镜，准直透镜用于将来自激光器发射的激光束进行准直；扫描模块，包括微机电***(MEMS)微振镜，用于将来自准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；非均匀光束角度扩大模块，用于将来自微机电***(MEMS)微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。本发明的技术方案实现激光雷达的高精度探测、提高激光光能的利用率。

Description

一种高精度MEMS激光雷达发射装置和方法

技术领域

本发明属于激光雷达探测领域，具体地，涉及一种高精度MEMS激光雷达发射装置和方法。

背景技术

激光雷达(LIDAR)通过向目标物体发射激光光束并接收从目标物体反射的光束来测量目标物体的位置、速度等信息。其中微机电***(MEMS)激光雷达作为固态激光雷达的典型代表，被业内广泛的研究与应用。

由MEMS扫描出来的光束视场角小、扫描点数固定、扫描角度间隔固定，一般无法满足用于智能驾驶激光雷达的视场角需求，因此需要加入光学扩束结构，以满足车载激光雷达视场角的需求。然而现有的业内光学扩束方案都集中在了均匀角度扩大方案，不能满足对视场中的不同区域采用不同扫描角度间隔的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是对MEMS激光雷达的扫描光束进行非均匀角度扩束。

根据本发明的第一方面，提供一种高精度MEMS激光雷达发射装置，包括:

激光发射模块，包括激光器和准直透镜，所述准直透镜用于将来自所述激光器发射的激光束进行准直；

扫描模块，包括微机电***(MEMS)微振镜，用于将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块，用于将来自所述微机电***(MEMS)微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

可选地，所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

可选地，所述非均匀光束角度扩大模块包括至少两个透镜，其中所述至少两个透镜中的一部分透镜将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置，所述至少两个透镜的每个透镜的曲率半径在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

可选地，所述至少两个透镜的每个透镜的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

可选地，所述非均匀光束角度扩大模块包括单个透镜，所述透镜包括前表面和后表面，其中，所述透镜的前表面，用于将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述透镜的后表面的焦平面位置；所述透镜的前表面和后表面曲率半径在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

可选地，所述单个透镜的前表面和后表面的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

可选地，所述非均匀光束角度扩大模块包括多个透镜组，每个透镜组分别用于扩大来自所述MEMS微振镜的对应视场范围内的光束的扫描角度，其中所述多个透镜组中的每个透镜组包括至少两个透镜，所述至少两个透镜中的一部分透镜将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置；所述多个透镜组中存在至少两个不同的光束角度放大倍率。

可选地，所述多个透镜组中的每个透镜组具有固定的光束角度放大倍率，所述多个透镜组中的每个透镜组分别设置在视场区域中，其中，设置在视场中心区域的透镜组的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜组的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

可选地，所述多个透镜组中的每个透镜组包括可变焦透镜，具有可调节的光束角度放大倍率。

可选地，所述可变焦透镜为液晶透镜或电浸润透镜。

可选地，所述非均匀光束角度扩大模块包括多个透镜，每个透镜分别用于扩大来自所述MEMS微振镜的对应视场范围内的光束的扫描角度，其中每个所述透镜包括前表面和后表面，其中，所述透镜的前表面，用于将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述透镜的后表面的焦平面位置；所述多个透镜中存在至少两个不同的光束角度放大倍率。

可选地，所述多个透镜中的每个透镜具有固定的光束角度放大倍率，所述多个透镜中的每个透镜分别设置在视场区域中，其中，设置在视场中心区域的透镜的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

可选地，所述非均匀光束角度扩大模块包括相对设置的至少两个径向多焦点纳米光栅，其中所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的一部分径向多焦点纳米光栅用于将来自MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的剩余部分径向多焦点纳米光栅的焦平面位置，所述至少两个径向多焦点纳米光栅的每个径向多焦点纳米光栅的焦距在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

可选地，所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的每一个径向多焦点纳米光栅包括多个纳米子光栅，所述多个纳米子光栅的焦距彼此不同，并且以沿着径向焦距增加的方式配置在一起，其中，设置在视场中心区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率，使得所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段或逐渐增大。

根据本发明的第二方面，提供一种激光雷达***，包括上述的高精度MEMS激光雷达发射装置。

根据本发明的第三方面，提供一种自动驾驶车辆，包括上述的激光雷达***。

根据本发明的第四方面，提供一种高精度MEMS激光雷达发射方法，包括；

采用准直透镜将来自激光器发射的激光束进行准直；

采用微机电***(MEMS)微振镜将来自准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块将来自MEMS微振镜的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

可选地，上述方法中，所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

本发明的技术方案的有益技术效果可以包括：对于视场中不同区域采用不同扫描角度间隔进行扫描，对于扫描角度间隔小的区域，实现高精度探测，对于扫描角度间隔大的区域，虽然探测精度降低，但是能够提高激光光能的利用率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是现有技术激光雷达扫描角度分布示意图。图2是本发明的第一实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的原理图。

图3是本发明的第一实施例的激光雷达扫描角度分布示意图。

图4是本发明的第一实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的激光器与MEMS的相对位置关系示意图。

图5是本发明的第一实施例的光束角度扩大模块说明图。

图6是根据本发明的第二实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。

图7A是根据本发明的第二实施例的透镜组的角度扩大方案中的小角度扩大倍率示意图。

图7B是根据本发明的第二实施例的透镜组的角度扩大方案中的大角度扩大倍率示意图。

图8是根据本发明的第三实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。

图9是根据本发明的第三实施例的可选实施方式的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。

图10是根据本发明的第四实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。

图11是根据本发明的第四实施例的径向多焦点纳米光栅结构示意图。

图12是根据本发明的第四实施例的径向多焦点纳米光栅设计方案示意图。

图13是本发明的第七实施例的高精度MEMS激光雷达发射方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的***的例子。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

如图1所示，为现有的业内激光雷达光学扩束方案所采用的均匀角度扩大方案，对于位于激光雷达近处正前方的目标物体的扫描角度与位于激光雷达远处(侧上方)的背景物体的扫描角度大致相同。这种均匀角度扩大方案对于视场中不同区域的扫描角度间隔相同，实现的探测精度相同，并不能满足智能驾驶雷达的视场角的需求。

图2示出本发明的高精度MEMS激光雷达发射装置的原理图。如图2所示，高精度MEMS激光雷达发射装置，包括:激光发射模块10，包括激光器11和准直透镜12，准直透镜12用于将来自激光器11发射的激光束进行准直；扫描模块20，包括微机电***(MEMS)微振镜21，用于将来自准直透镜12的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块30；非均匀光束角度扩大模块30，用于将来自MEMS微振镜21的角度间隔均匀分布的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

本发明实施例的技术方案，对于视场中不同区域采用不同扫描角度间隔进行扫描，对于扫描角度间隔小的区域，实现高精度探测，对于扫描角度间隔大的区域，虽然探测精度降低，但是能够提高激光光能的利用率。

对于智能驾驶而言，通常希望视场近处正前方的目标物体的扫描角度间隔更小，以实现高精度探测；而对于远处视场边缘背景物体的扫描角度间隔可以适当增大，从而提高激光光能的利用率。因此，需要一种采用非均匀角度扩大方案的高精度、高安全系数和高应用可靠性的激光雷达。参见图3，一般对于汽车正前方的视场附近(0度附近视场)，要求雷达扫描出射光束的角度间隔较小，以确保高精度的探测识别出正前方物体的形貌，以识别物体的类别等信息，保证行车安全；对于汽车斜上方视场或者斜下方视场，只需可探测出远距离处存在的景物即可，无需很小的角度间隔。

作为本发明第一实施例的一个可选实施方式，扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔可以从视场中心区域到视场边缘区域增大。

本发明实施例的可选实施方式的技术方案能够对于视场近处正前方的目标物体的扫描角度间隔更小，以实现高精度探测；而对于远处视场边缘背景物体的扫描角度间隔可以适当增大，从而提高激光光能的利用率。

作为本发明第一实施例的一个可选实施方式，激光器11可以为波长为905nm或者1550nm的半导体激光器，其尺寸尽量小，功率尽量高，可以采用单个激光器，也可以采用多个激光器。可选地，准直透镜12可以为单个，也可以为准直透镜组，包括多个准直透镜，用以将激光器11的快慢轴光束准直。图4示出多个激光器11A,11B,11C,多个准直透镜12A,12B,12C与MEMS微振镜21摆放的相对位置。作为本发明实施例的一个可选实施方式，激光器的数量可以多于3个，相应地，准直透镜的数量也可以多于3个。MEMS微振镜21为微小反射镜结构，用以将射向其的准直激光束二维扫描，形成一定的水平和竖直视场角；经MEMS微振镜21扫描出射的光束为角度间隔分布均匀的光束。

本申请中的术语“角度扩大倍率”是指激光雷达实际发射光线角度与经过MEMS微振镜21偏转射向角度扩大光学***(非均匀光束角度扩大模块30)的光线角度的比值，用γ定义，如图5所示。角度扩大倍率γ＝tan(θ2)/tan(θ1)。MEMS微振镜21扫描出射的光线为均匀角度间隔的光束，本发明的非均匀光束角度扩大模块30中不同径向区域处角度扩大倍率不同，最终出光角度的间隔将不同，不同径向区域的角度扩大密度不同。

第二实施例

如图6所示，根据本发明的第二实施例，实施例一中的非均匀光束角度扩大模块30可以包括至少两个透镜，其中至少两个透镜中的一部分透镜将来自MEMS微振镜21的光束聚焦到至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置；至少两个透镜的每个透镜的曲率半径在径向上匹配，用于将来自MEMS微振镜21的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

如图6所示，以非均匀光束角度扩大模块30包括透镜A和透镜B两个透镜为例进行说明，透镜A和透镜B组合在一起，可以将MEMS微振镜21扫描出射的光束视场角度进行二次扩大。其中透镜A可以为聚焦透镜，用于将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦在透镜B的焦平面位置；透镜B将来自透镜A的光束准直、偏析，实现最终的角度扩束。透镜A和/或透镜B可以由多个透镜组合而成，组成透镜A的多个透镜共同形实现聚焦功能，将MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦在透镜B的焦平面位置。

如图6所示，透镜A和透镜B在径向方向上具有多个焦点；当透镜表面不同径向位置曲率半径不同时，所对应的焦距也就不同。

曲率半径r与焦距f的关系为：

f＝r/(n-1)

(1)

n为透镜折射率

参见图7A、7B，示出透镜A与透镜B焦距对角度扩大倍率的影响。

角度扩大倍率γ与焦距及曲率半径的关系：

γ＝fa(n)/fb(n)＝ra(n)/rb(n) (2)

fa:透镜A在径向第n点的焦距

fb:透镜B在径向第n点的焦距

ra:透镜A在径向第n点的曲率半径

rb:透镜A在径向第n点的曲率半径

d:透镜A与透镜B的轴向距离

图7A为小角度扩大倍率示意图，图7B为大角度扩大倍率示意图。图7A中透镜B的焦距fB大于图7B中透镜B的焦距fb；图7A中透镜A的焦距fA小于图7B中透镜A的焦距fa。因此，根据公式(2)得出角度扩大倍率γ，图7A的角度扩大倍率大于图7B的角度扩大倍率。

以图6为例，在本实施例中，两个透镜的曲率半径在径向上匹配，是指每个透镜的曲率半径从透镜中心到边缘曲率半径的变化趋势相互作用后，使得经过该至少两个透镜出射的光束能够形成满足特定形式的扫描角度间隔非均匀分布的光束。例如，每个透镜的曲率半径从透镜中心到边缘曲率半径可以均为逐渐变小，即fa(n)/fb(n)和ra(n)/rb(n)从中心到边缘逐渐减小，从而保证每个透镜的中心区域角度扩大倍率小，每个透镜的边缘区域角度扩大倍率大；反之，每个透镜的曲率半径从透镜中心到边缘曲率半径可以均为逐渐变大，即fa(n)/fb(n)和ra(n)/rb(n)从中心到边缘逐渐减小，从而保证每个透镜的中心区域角度扩大倍率大，每个透镜的边缘区域角度扩大倍率小。当非均匀光束角度扩大模块30包括更多个透镜，原理类似，在此不再赘述。

根据本发明的第二实施例的可选实施方式，至少两个透镜的每个透镜的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

为了实现实际出射的光束中心视角角度间隔小，边缘视场角度间隔大，即角度扩大倍率中心视场小，边缘视场大(参见图6)；即透镜A(及B)的面型在径向方向上，从中心到边缘分为n份(n的个数等于角度多大倍率的个数)，每一份的曲率半径都不相同；参见图7B,透镜A面型从中心到边缘的变化趋势为：焦距fa逐渐减少，曲率半径ra逐渐减小；透镜B面型从中心到边缘的变化趋势为：焦距fb逐渐减少，曲率半径rb逐渐减小。且fa(n)/fb(n)和ra(n)/rb(n)从中心到边缘逐渐减小。

作为示例，图6中示出的视场区域的角度扩大倍率关系为γ1>γ2>γ4>γ3。其中，视场中心区域的角度扩大倍率γ3最小，上部视场边缘区域的角度扩大倍率γ1最大。上部视场边缘区域与视场中心区域之间区域的角度扩大倍率γ2大于下部视场边缘区域与视场中心区域之间区域的角度扩大倍率γ4。

作为本发明第二实施例的一个可选实施方式，非均匀光束角度扩大模块30可以包括单个透镜，透镜包括前表面和后表面，其中，透镜的前表面，用于将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦到透镜的表面的焦平面位置；透镜的前表面和后表面曲率半径在径向上匹配，用于将来自MEMS微振镜21的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

根据上述可选实施方式，非均匀光束角度扩大模块30是由单个透镜构成，可以将MEMS微振镜21扫描出射的光束视场角度进行二次扩大。其中单个透镜的前表面，用于将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦在后表面的焦平面位置；后表面将来自前表面的光束准直、偏析，实现最终的角度扩束。前表面和后表面的曲率半径以渐变形式变化，即在透镜的不同径向位置处对应的光的焦距不同，且前表面和后表面对应径向位置处的焦距匹配后，可以实现非均匀角度扩束效果。

在本实施例中，单个透镜可以为厚透镜，前表面的作用相当于图6中的透镜A，单个透镜的后表面的作用相当于图6中的透镜B，单个透镜的前表面和后表面的曲率半径在径向上匹配可参见对图6的介绍，在此不再赘述。

在本实施例中，使用单个厚透镜实现多个透镜的功能，能够有效地缩小非均匀光束角度扩大模块30。

作为本发明第二实施例的一个可选实施方式，单个透镜的前表面和后表面的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

第三实施例

根据本发明的第三实施例，非均匀光束角度扩大模块30包括多个透镜组，每个透镜组分别用于扩大来自MEMS微振镜21的对应视场范围内的光束的扫描角度，其中所述多个透镜组中的每个透镜组包括至少两个透镜，至少两个透镜中的一部分透镜将来自MEMS微振镜21的光束聚焦到至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置；多个透镜组存在至少两个不同的光束角度放大倍率。

图8是根据本发明的第三实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。如图8所示，以非均匀光束角度扩大模块30由透镜组C、透镜组D、透镜组E三组不同参数的透镜组构成为例进行说明。图8中各透镜组均由前后同轴设置的前透镜和后透镜组成。前透镜将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦到后透镜的焦平面位置，后透镜将光束准直、偏析。透镜组C、透镜组D、透镜组E中的每个透镜组具有固定的光束角度放大倍率，且至少有两个不同的光束角度放大倍率。透镜组C、透镜组D、透镜组E中的每个透镜组分别设置在视场区域中。

采用本实施例中多个透镜组的实现方式，每个透镜组的光束角度放大倍率固定，可以降低透镜加工的复杂度。

根据本发明的第三实施例的可选实施方式，多个透镜组中的每个透镜组可以具有固定的光束角度放大倍率，多个透镜组中的每个透镜组分别设置在视场区域中，其中，设置在视场中心区域的透镜组的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜组的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

在本实施例中，如图8所示，设置在视场中心区域的透镜组D的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜组D,E的光束角度放大倍率，使得扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

如图8所示，透镜组C和透镜组E对应MEMS微振镜21出射的上下两边缘视场的角度，用来将上下边缘角度大倍率扩大，即由透镜组C和透镜组E出射的光束角度间隔大，用以探测远处的景物。其中透镜组D对应MEMS微振镜21出射的中心视场附近的角度，用来将中心视场附近的角度小倍率角度扩大，即由透镜组D出射的光束角度间隔小，用以探测正前方的景物，可分辨具体的景物细节。

根据本发明的第三实施例的可选实施方式，多个透镜组中的每个透镜组可以包括可变焦透镜，具有可调节的光束角度放大倍率。

采用本实施例的激光雷达发射装置的汽车在行驶时，可以根据实时路况，改变不同视场区域的光束扩大倍率。例如，当需求探测出某一物体细节时，则选择小扩束倍率模式；当需求看整个路况的大体轮廓时，选择大扩束倍率模式，从而提高驾驶安全性。

根据以上本发明的第三实施例的可选实施方式，可变焦透镜可以为液晶透镜或电浸润透镜。可变焦透镜可以在电信号控制下，调节光束放大倍率，实现任意可变的光束放大倍率。图9是根据本发明的第三实施例的可选实施方式的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。如图9所示，以非均匀光束角度扩大模块30由透镜组A1,A2、透镜组B1,B2、透镜组C1,C2三组透镜组构成为例进行说明。图9中各透镜组均由前后同轴设置的前透镜和后透镜组成。前透镜将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦到后透镜的焦平面位置，后透镜将光束准直、偏析。透镜组A1,A2、透镜组B1,B2、透镜组C1,C2中的每个透镜可以为液晶透镜或电浸润透镜,因此具有可变的光束角度放大倍率。

通过电信号调节，将设置在视场中心区域的透镜组B1,B2的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜组A1,A2和C1,C2的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

作为本发明第三实施例的一个可选实施方式，非均匀光束角度扩大模块30不限于为3个透镜组构成的形式，可以由2个透镜组或者3个以上的多个透镜组构成，每个透镜组包括至少两个透镜，至少两个透镜中的一部分透镜将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦到至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置，至少两个透镜中的剩余部分透镜将光束准直、偏析；每个透镜组具有固定的光束角度放大倍率，每个透镜组分别设置在视场区域中，透镜组可以形成不同模式的非均匀扫描。例如，设置在视场中心区域的透镜组的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜组的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

作为本发明第三实施例的一个可选实施方式，非均匀光束角度扩大模块30包括多个透镜，每个透镜分别用于扩大来自所述MEMS微振镜的对应视场范围内的光束的扫描角度，每个透镜包括前表面和后表面，其中，透镜的前表面，用于将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦到透镜的后表面的焦平面位置；所述多个透镜中存在至少两个不同的光束角度放大倍率。

根据上述可选实施方式，所述多个透镜中的每个透镜具有固定的光束角度放大倍率，所述多个透镜中的每个透镜分别设置在视场区域中，其中，设置在视场中心区域的透镜的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

第四实施例

如图10所示，根据本发明的第四实施例，非均匀光束角度扩大模块30包括至少两个径向多焦点纳米光栅41，42，其中至少两个径向多焦点纳米光栅中的一部分纳米光栅41用于将来自MEMS微振镜21的光束聚焦到至少两个径向多焦点纳米光栅中的剩余部分纳米光栅42的焦平面位置，所述至少两个径向多焦点纳米光栅的每个径向多焦点纳米光栅的焦距在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜21的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

在本实施例中，两个径向多焦点纳米光栅中的每个径向多焦点纳米光栅的焦距在径向上匹配，是指每个纳米光栅的曲率半径从中心到边缘曲率半径的变化趋势相互作用后，使得经过该至少两个纳米光栅出射的光束能够形成满足特定形式的扫描角度间隔非均匀分布的光束。例如，每个纳米光栅的曲率半径从中心到边缘曲率半径可以均为逐渐变小，且角度扩大倍率从中心到边缘逐渐减小；反之，每个纳米光栅的曲率半径从中心到边缘曲率半径可以均为逐渐变大，且角度扩大倍率从中心到边缘逐渐减变大。当非均匀光束角度扩大模块30包括更多个纳米光栅时，原理类似，在此不再赘述。

图10是根据本发明的第四实施例的高精度MEMS激光雷达发射装置的光束角度扩大原理图。如图10所示，非均匀光束角度扩大模块30包括相对设置的两个径向多焦点纳米光栅41和42，其中径向多焦点纳米光栅41用于将来自MEMS微振镜21的入射准直光束聚焦在径向多焦点纳米光栅42的焦平面位置，径向多焦点纳米光栅42用于将来自径向多焦点纳米光栅41的聚焦光束准直、偏析，从而进行非均匀扩束，两个径向多焦点纳米光栅的每个径向多焦点纳米光栅的焦距沿径向从其中心区域至边缘区域增大。

对于车载激光雷达装置，轻薄化始终是市场未来发展的终极需求，本实施例中，利用纳米光栅方式实现角度扩大的设计方案，能够有效减小激光雷达的尺寸。

根据本发明第四实施例的一个可选实施方式，至少两个径向多焦点纳米光栅41和42中的每一个径向多焦点纳米光栅包括多个纳米子光栅，多个纳米子光栅的焦距彼此不同，并且以沿着径向焦距增加的方式配置在一起。其中，设置在视场中心区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率，使得所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段或逐渐增大。

作为本发明第四实施例的一个可选实施方式，非均匀光束角度扩大模块30包括相对设置的径向多焦点纳米光栅的数量不限于2个，可以多于2个径向多焦点纳米光栅，其中多个径向多焦点纳米光栅中的一部分纳米光栅用于将来自MEMS微振镜12的入射准直光束聚焦到多个径向多焦点纳米光栅中的剩余部分纳米光栅的焦平面位置，多个径向多焦点纳米光栅中的剩余部分径向多焦点纳米光栅用于将聚焦光束准直、偏析，从而进行非均匀扩束。多个径向多焦点纳米光栅的每个径向多焦点纳米光栅的焦距沿径向从其中心区域至边缘区域增大。

图11为本发明的第四实施例中径向多焦点纳米光栅结构示意图，径向多焦点纳米光栅结构材料可以为SINx等透镜介质材料，可以通过纳米压印、激光直写、电子束直写等方式加工制成。径向多焦点纳米光束结构的设计方式为：光栅台阶的高度和宽度代表光栅的相位分布，用以将入射光束衍射向特定方向偏转。菲涅尔片为典型代表，光栅台阶宽度的疏密按照一定规律分布，即可用一种焦距。

基础关系为：

f＝(r_j)²/(jλ) (3)

f：焦距

r_j：焦距f下的第j个光栅环半径

j：第j个光栅环

λ：光波波长

h＝λ/2/n (4)

h:光栅高度

n:光栅折射率

纳米光栅具有全息性，也就是对于一个完整的固定焦距的光栅，可以只截取纳米光栅的一部分(纳米子光栅)，此纳米子光栅仍然具有和原来纳米光栅相同的焦距。

图12是根据本发明的第四实施例的径向多焦点纳米光栅设计方案示意图。如图11所示，先分别设计每个焦距下完整(从中心到边缘环带变化规律相同)的光栅形貌，然后再按照每个MEMS微振镜扫描出光各视场角度在扩大透镜组上的径向位置及达到该位置光束角度扩大倍率所需要的透镜焦距，将对应焦距的光栅上的对应径向位置截取出来，即获得对应焦距的纳米子光栅，以此将各视场所需焦距的光栅径向位置截取，拼接设计在一起，即可获得径向多焦点纳米光栅。径向多焦点光栅在设计上，可直接根据公式(3)设计不同径向位置的光栅环带变化关系，即可实现径向多焦点效果。

以在全视场内以三种角度扩大倍率为例，中心视场角度放大倍率小，边缘视场角度放大倍率最大。如图11左侧，将MEMS微振镜扫描出射的视场角度分成三部分①②③，投影在非均匀光束角度扩大模块的径向上，高度分别对应h1，h2，h3。三部分视场光线扩大倍率不同，对应的非均匀光束角度扩大模块焦距不同。设所需的纳米光栅焦距为f1，f2，f3；可设计出对应该焦距的完整的纳米光栅形貌，如图11上侧；再根据各部分视场在光栅面上的投影位置分别将完整的光栅截取出所需的部分，如图11中间；最后再合并在一起，完成径向三焦点的光栅设计，如图11下侧。

参见图10，根据本发明第四实施例的一个可选实施方式，可以将用来角度扩大的两组径向多焦点纳米光栅41和纳米光栅42分别设计完成后，分别制备在基板50的前后两个表面，获得非均匀光束角度扩大模块30。基板50可以由透明材料制成。据此，利用两组径向多焦点纳米光栅结构组合匹配，实现非均匀角度扩大效果。即实现了中心视场角度间隔小，边缘视场角度间隔大的效果。

根据本发明第四实施例一个可选实施方式，可以将一组径向多焦点纳米光栅制备在第一基板的一面上，将另一组径向多焦点纳米光栅制备在第二基板的一面上，然后将第一基板和第二基板的未制备径向多焦点纳米光栅的面相对固定在一起。第一基板和第二基板可以由透明材料制成。根据本发明的另一个可选的实施方式，第一基板和第二基板的未制备径向多焦点纳米光栅的面可以设置为相对且之间存在空气间隙。

如图12所示，其采用具有3个焦点的径向多焦点纳米光栅能够实现角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大；还可以构想，通过对纳米光栅的各纳米子光栅的设置，使得纳米光栅包括4,5,6,7,8,9…n个径向焦点，将MEMS微振镜21扫描出射的视场角度经过扩束而分得更多。视场角度分得越多，角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大的幅度就越平滑。如果纳米光栅的径向焦点为n个，角度扩大倍率为γ1至γn，从而实现角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

在具体实施过程中，当激光发射模块包括多个激光器时，为保证实际出射光角度空间连续，不同扩束方案中激光器两两之间的夹角不同，第三实施例中两两激光器的夹角大于第二实施例和第四实施例。

第五实施例

本实施例提供了一种激光雷达***，包括第一实施例至第四实施例所描述的高精度MEMS激光雷达发射装置。

采用本实施例的激光雷达***，可以实现激光雷达视场中的非均匀扫描。

第六实施例

本实施例提供了一种自动驾驶车辆，包括第五实施例所描述的激光雷达***。

采用本实施例的自动驾驶车辆，可以利用其搭载的激光雷达，实现视场中的非均匀扫描，满足自动驾驶的需求。

第七实施例

参见图13，本实施例提供了一种高精度MEMS激光雷达发射方法，包括；

采用准直透镜12将来自激光器11发射的激光束进行准直；

采用微机电***(MEMS)微振镜21将来自准直透镜12的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块30；

非均匀光束角度扩大模块30将来自微机电***(MEMS)微振镜的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

本实施例的方法与第一实施例至第四实施例对应，涉及的具体描述参见第一实施例至第四实施例，在此不再赘述。

本发明实施例的技术方案，对于视场中不同区域采用不同扫描角度间隔进行扫描，对于扫描角度间隔小的区域，实现高精度探测，对于扫描角度间隔大的区域，虽然探测精度降低，但是能够提高激光光能的利用率。

根据本发明第七实施例的一个可选实施方式，上述方法中，角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

本发明的特征和益处通过参考实施例进行说明。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (24)

1.一种高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，包括:

激光发射模块，包括激光器和准直透镜，所述准直透镜用于将来自所述激光器发射的激光束进行准直；

扫描模块，包括MEMS微振镜，用于将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括透镜部件，所述透镜部件通过光学聚焦及透镜曲率半径变化的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

2.根据权利要求1所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

3.根据权利要求1或2所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述非均匀光束角度扩大模块的透镜部件包括至少两个透镜，其中所述至少两个透镜中的一部分透镜将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置；所述至少两个透镜的每个透镜的曲率半径在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

4.根据权利要求3所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述至少两个透镜的每个透镜的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

5.根据权利要求1或2所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述非均匀光束角度扩大模块的透镜部件包括单个透镜，所述透镜包括前表面和后表面，其中，所述透镜的前表面，用于将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述透镜的后表面的焦平面位置；所述透镜的前表面和后表面曲率半径在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

6.根据权利要求5所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述单个透镜的前表面和后表面的曲率半径从中心到边缘逐渐减小，且匹配后使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域逐渐增大。

7.一种高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，包括：

激光发射模块，包括激光器和准直透镜，所述准直透镜用于将来自所述激光器发射的激光束进行准直；

扫描模块，包括MEMS微振镜，用于将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括透镜部件，所述透镜部件包括多个透镜，每个透镜分别用于扩大来自所述MEMS微振镜的对应视场范围内的光束的扫描角度，其中每个透镜包括前表面和后表面，其中，所述透镜的前表面，用于将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述透镜的后表面的焦平面位置；所述多个透镜中存在至少两个不同的光束角度放大倍率；所述多个透镜中的每个透镜具有固定的光束角度放大倍率，所述多个透镜中的每个透镜分别设置在视场区域中，其中，设置在视场中心区域的透镜的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的透镜的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

8.一种高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，包括:

激光发射模块，包括激光器和准直透镜，所述准直透镜用于将来自所述激光器发射的激光束进行准直；

扫描模块，包括MEMS微振镜，用于将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括透镜部件，所述透镜部件通过光学聚焦及变焦的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

9.根据权利要求8所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

10.根据权利要求8或9所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述非均匀光束角度扩大模块的光学部件包括多个透镜组，每个透镜组分别用于扩大来自所述MEMS微振镜的对应视场范围内的光束的扫描角度，其中所述多个透镜组中的每个透镜组包括至少两个透镜，所述至少两个透镜中的一部分透镜将来自所述MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个透镜中的剩余部分透镜的焦平面位置；所述多个透镜组存在至少两个不同的光束角度放大倍率。

11.根据权利要求10所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述多个透镜组中的每个透镜组具有固定的光束角度放大倍率，其中，用于对视场中心区域光束进行角度放大的透镜组的光束角度放大倍率小于用于对视场边缘区域光束进行角度放大的透镜组的光束角度放大倍率，使得所述扫描角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段增大。

12.根据权利要求10所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述多个透镜组中的每个透镜组包括可变焦透镜，具有可调节的光束角度放大倍率。

13.根据权利要求12所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述可变焦透镜为液晶透镜或电浸润透镜。

14.一种高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，包括:

激光发射模块，包括激光器和准直透镜，所述准直透镜用于将来自所述激光器发射的激光束进行准直；

扫描模块，包括MEMS微振镜，用于将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括光栅部件，所述光栅部件通过光学聚焦、准直和偏折的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

15.根据权利要求14所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述非均匀光束角度扩大模块的光栅部件包括至少两个径向多焦点纳米光栅，其中所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的一部分纳米光栅用于将来自MEMS微振镜的光束聚焦到所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的剩余部分纳米光栅的焦平面位置，所述至少两个径向多焦点纳米光栅的每个径向多焦点纳米光栅的焦距在径向上匹配，用于将来自所述MEMS微振镜的光束转换为扫描角度间隔非均匀分布的光束。

16.根据权利要求15所述的高精度MEMS激光雷达发射装置，其特征在于，所述至少两个径向多焦点纳米光栅中的每一个径向多焦点纳米光栅包括多个纳米子光栅，所述多个纳米子光栅的焦距彼此不同，并且以沿着径向焦距增加的方式配置在一起，其中，设置在视场中心区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率小于设置在视场边缘区域的纳米子光栅的光束角度放大倍率，使得所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域分段或逐渐增大。

17.一种激光雷达***，其特征在于，包括权利要求1至16任一项所述的高精度MEMS激光雷达发射装置。

18.一种自动驾驶车辆，其特征在于，包括权利要求17所述的激光雷达***。

19.一种高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，包括；

采用准直透镜将来自激光器发射的激光束进行准直；

采用MEMS微振镜将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括透镜部件，所述透镜部件通过光学聚焦及透镜曲率半径变化的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自MEMS微振镜的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

20.根据权利要求19所述的高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

21.一种高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，包括；

采用准直透镜将来自激光器发射的激光束进行准直；

采用MEMS微振镜将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括透镜部件，所述透镜部件通过光学聚焦及变焦的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自MEMS微振镜的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

22.根据权利要求21所述的高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

23.一种高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，包括；

采用准直透镜将来自激光器发射的激光束进行准直；

采用MEMS微振镜将来自所述准直透镜的激光束反射至非均匀光束角度扩大模块；

所述非均匀光束角度扩大模块包括光栅部件，所述光栅部件通过光学聚焦、准直和偏折的方式使得所述非均匀光束角度扩大模块中不同径向区域处角度扩大倍率不同，从而将来自MEMS微振镜的光束转换为角度间隔非均匀分布的光束。

24.根据权利要求23所述的高精度MEMS激光雷达发射方法，其特征在于，所述角度间隔非均匀分布的光束的扫描角度间隔从视场中心区域到视场边缘区域增大。

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