CN205120965U - 一种基于mems微镜的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS微镜的激光雷达，包括激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置，MEMS微镜驱动装置与MEMS微镜镜面连接，对MEMS微镜的镜面方向进行控制，激光脉冲发射装置射出的激光脉冲射入反射镜，经反射镜反射后射入MEMS微镜，经过MEMS微镜反射后的激光脉冲射出，到待测目标达障碍物表面，经过待测目标障碍物表面发生漫反射，反射信号被激光脉冲接收装置接收。本实用新型激光雷达基于MEMS微镜的扫描功能，大大减小了激光雷达的体积和重量，而且结构简单、成本较低。

Description

一种基于MEMS微镜的激光雷达

技术领域

本实用新型属于激光雷达扫描领域，尤其涉及一种基于MEMS微镜的激光雷达。

背景技术

无人机由于其自身的优势，已经应用于很多领域。一方面，无人机具有体积小、机动性高，自身灵活的优势；另一方面，无人机可以携带多种传感器设备，提供多种信息，并且无人机相对其他空中移动设备来说，造价低廉。由于是无人***，其应用要求安全性能也十分高。本实用新型主要是针对无人机的定位、地图构建、避障和三维建模设计的一种激光雷达。

传统的三维激光雷达是在单点测距的基础上，通过二维扫描实现三维空间的深度信息测量。这样的雷达可探测距离远，精度高。但由于该激光雷达会有庞大的三维扫描机械装置，所以这种激光雷达通常会有较大的体积、重量和功耗，同时会有较高的成本。而且普通机械扫描结构通常扫描速度比较慢，长时间使用也会存在机械损耗，不太适用于像旋翼式无人机上。

小型激光雷达三维测绘***是一种新型的综合应用激光测距仪，GPS的快速测量***可以直接联测地面物体的各个三维坐标。虽然小型激光雷达较传统的激光雷达来说，整体体积以及重量都减小了很多，但是整体重量依旧在20kg左右，对于轻便小型的旋翼式无人机来说，依旧很难承载。所以本实用新型针对传统三维激光雷达的不足，设计了一种基于MEMS微镜的新型激光雷达。

综上所述，现有的激光雷达受到体积和重量很大的制约，难以应用于旋翼式无人机上。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的问题，提供一种基于MEMS微镜的激光雷达，基于MEMS微镜的扫描功能，大大减小了激光雷达的体积和重量，而且结构简单、成本较低。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微电子机械***)微镜的激光雷达，包括激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置，MEMS微镜座与MEMS微镜连接，对MEMS微镜的镜面方向进行控制，激光脉冲发射装置射出的激光脉冲射入反射镜，经反射镜反射后射入MEMS微镜，经过MEMS微镜反射后的激光脉冲射出，到待测目标达障碍物表面，经过待测目标达障碍物表面发生漫反射，被激光脉冲接收装置接收。

按上述技术方案，还包括外壳、反射镜座，激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置设置在外壳的内部，反射镜通过反射镜座固定在外壳上，MEMS微镜通过MEMS微镜座固定在外壳上。

按上述技术方案，MEMS微镜为二维MEMS扫描微镜。

按上述技术方案，MEMS微镜座包括悬臂梁和MEMS微镜驱动电路，悬臂梁为双压电晶片元件构成的对称双S型结构，MEMS微镜固定在悬臂梁的顶部，双压电晶片元件中集成加热电阻，(MEMS微镜驱动电路为电热式驱动电路，)MEMS微镜驱动电路与加热电阻连接并改变加热电阻的电压。使用热膨胀率不同的两种材料制作成悬臂梁。当温度发生变化时，双压电晶片元件(bimorph)就会产生弯曲形变。每个bimorph悬臂梁顶端连接一个MEMS微镜并在bimorph中集成一个加热电阻，在MEMS微镜驱动电路改变加热电阻的电压时，bimorph发生弯曲形变就可以带动MEMS微镜实现偏转。

本实用新型产生的有益效果是：首先，本实用新型激光雷达不存在激光器机械驱动结构，使得整个激光雷达结构简单，体积小，重量轻，光路更为简单，并且抗震性能好；其次，与传统的机械转动平台驱动的激光雷达相比，MEMS微镜更易于精确地驱动与控制，并且也拥有更小的体积和重量，更低的功耗以及成本。本实用新型实现激光雷达微小型化，与传统的激光雷达相比，更适用于在无人机等移动设备上使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例基于MEMS微镜的激光雷达的光路原理示意图；

图2是本实用新型实施例基于MEMS微镜的激光雷达的整体结构示意图；

图3是反射镜座的结构示意图；

图4是MEMS微镜座的主视图；

图5是MEMS微镜座的俯视图；

图6是MEMS微镜座的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例中，如图1、图2所示，提供一种基于MEMS微镜的激光雷达，包括激光脉冲发射装置1、反射镜2、MEMS微镜3、MEMS微镜座7、激光脉冲接收装置4，MEMS微镜座与MEMS微镜连接，对MEMS微镜的镜面方向进行控制，激光脉冲发射装置射出的激光脉冲射入反射镜，经反射镜反射后射入MEMS微镜，经过MEMS微镜反射后的激光脉冲射出，到待测目标达障碍物表面5，经过待测目标达障碍物表面发生漫反射，反射信号被激光脉冲接收装置接收。

其中，该基于MEMS微镜的激光雷达还包括外壳、反射镜座6，激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置设置在外壳的内部，反射镜通过反射镜座固定在外壳上，MEMS微镜通过MEMS微镜座固定在外壳上。本实用新型实施例中，激光脉冲发射装置包括激光器、光电调制电路，光电调制电路与激光器连接，还包括聚光镜，聚光镜设置在光电调制电路后方。光电调制电路进行时域上的调制，把激光器发射的连续激光调制成周期可以控制的激光脉冲。激光脉冲接收装置包括滤光镜、激光接收传感器，滤光镜设置在激光接收传感器前方，其作用是将波长复杂的反射激光进行滤波，只剩下激光器射出的激光波长范围的激光，即将环境中的其余波长的光线滤去。激光脉冲发射装置发射激光脉冲，激光脉冲经过45°反射镜反射，激光光线射出到MEMS微镜，MEMS微镜通过MEMS微镜座使MEMS微镜发生扭转，从而改变光路方向，经MEMS微镜反射后的激光光线射到待测目标达障碍物表面上，激光光线在待测目标达障碍物表面发生漫反射，反射光线射回到激光脉冲接收装置设置，激光信号转变为电信号。激光脉冲发射装置、激光脉冲接收装置通过固定装置8固定在外壳上。

进一步地，MEMS微镜为二维MEMS扫描微镜。

进一步地，MEMS微镜座包括悬臂梁和MEMS微镜驱动电路，悬臂梁为双压电晶片元件构成的对称双S型结构，MEMS微镜固定在悬臂梁的顶部，双压电晶片元件中集成加热电阻，MEMS微镜驱动电路为电热式驱动电路，MEMS微镜驱动电路与加热电阻连接并改变加热电阻的电压。使用热膨胀率不同的两种材料制作成悬臂梁。当温度发生变化时，双压电晶片元件(bimorph)就会产生弯曲形变。每个bimorph悬臂梁顶端连接一个MEMS微镜并在bimorph中集成一个加热电阻，在MEMS微镜驱动电路改变加热电阻的电压时，bimorph发生弯曲形变就可以带动MEMS微镜实现偏转。如图4、图5、图6所示，双S型双压电晶片元件在温度的改变下发生形变，促使MEMS镜面在X、Y、Z轴都发生偏转。双膜片梁上设计了LSF-LVD(无侧向平移-大垂直位移)电热式驱动器11，下方设置支撑脚12，两段双膜片具有相同的二氧化硅/铂/铝材料涂层，但是涂层的上下顺序刚好相反。铂加热器嵌入双膜片梁中，用来提高加热的均匀性以及加热效率。双膜片梁加热释放后会向上卷曲，形成S型，将MEMS微镜镜面提升到一个初始高度。当悬臂上的驱动器有温差时，这时悬臂的形变程度便有了区别，从而带动MEMS微镜镜面能够绕X轴摆动。从而实现微镜的二维扫描。

现有的MEMS微镜所能达到的扭转角度很小，不超过±10°。本实用新型激光雷达中MEMS微镜采用电热驱动方式，驱动电压低，扫描偏转角度大，能达到±25°。现有的激光雷达功耗较高，本实用新型基于MEMS微镜的激光雷达使用MEMS微镜进行扫描，大大减小了功耗。

本实用新型实施例中，进一步地，如图3所示，反射镜座的结构包括：反射镜固定座、微调螺钉以及微调弹簧9，微调螺钉分别固定在反射镜面相邻的两边，控制着反射镜面在X、Y轴上的位移，其中一个方向会有两个微调螺钉10，通过两个微调螺钉的位移差，来控制镜面在Z方向的转动微调。反射镜座在三个微调螺钉的控制下，实现X和Y轴方向的平动以及绕Z轴的转动的微调。反射镜座与反射镜间设有弹簧镜座，是45°斜面。激光经过反射镜，从该激光雷达装置的上方射入。而MEMS微镜驱动电路驱动MEMS微镜转动，实现扫描，并由方形的激光射出孔射出光线。激光射出孔的大小范围满足经过MEMS微镜扫描后激光偏转的角度。

反射镜起到改变光路的作用，本实用新型实施例中，进一步地，激光脉冲发射装置发生水平方向的激光，反射镜与水平面成45°摆放，其中心与激光脉冲发射装置所发射的、经过聚光镜后所射出的激光重合，使光路实现90°偏转。从反光镜射出的激光会射到MEMS微镜上，MEMS微镜与微镜驱动电路相连接，驱动微镜转动，实现扫描。

本实用新型实施例激光雷达的量程在1-200米。上电工作后，以UART的方式输出。该激光雷达的尺寸为78×62×40，单位cm³。整个雷达设计结构紧凑，外壳体积小于500cm³，重量不超过500g。激光雷达的整体结构如图2所示，激光脉冲发射装置、激光脉冲接收装置以及光电调制电路都固定在外壳左边的激光器固定座里，激光器固定座有一个激光射出孔以及激光接收孔，分别射出激光以及接收激光信号，MEMS微镜镜座与反射镜镜座都通过螺栓固定在整个激光雷达外壳的边壁上。

现有的激光雷达虽然精度高，但是具有庞大的机械结构和复杂的光路，不适合旋翼式无人机上的应用。本实用新型针对无人机承重较小的特点，利用MEMS微镜的扫描功能，实现测距激光的扫描，将激光雷达的体积和重量最小化，使其能够为旋翼式无人机所用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于MEMS微镜的激光雷达，其特征在于，包括激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置，MEMS微镜座与MEMS微镜连接，对MEMS微镜的镜面方向进行控制，激光脉冲发射装置射出的激光脉冲射入反射镜，经反射镜反射后射入MEMS微镜，经过MEMS微镜反射后的激光脉冲射出，到待测目标达障碍物表面，经过待测目标达障碍物表面发生漫反射，被激光脉冲接收装置接收。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜的激光雷达，其特征在于，还包括外壳、反射镜座，激光脉冲发射装置、反射镜、MEMS微镜、MEMS微镜座、激光脉冲接收装置设置在外壳的内部，反射镜通过反射镜座固定在外壳上，MEMS微镜通过MEMS微镜座固定在外壳上。

3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS微镜的激光雷达，其特征在于，MEMS微镜为二维MEMS扫描微镜。

4.根据权利要求1或2所述的基于MEMS微镜的激光雷达，其特征在于，MEMS微镜座包括悬臂梁和MEMS微镜驱动电路，悬臂梁为双压电晶片元件构成的对称双S型结构，MEMS微镜固定在悬臂梁的顶部，双压电晶片元件中集成加热电阻，MEMS微镜驱动电路与加热电阻连接并改变加热电阻的电压。