CN107907993A - 谐振式扫描镜、扫描方法、角度的测量方法及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种谐振式扫描镜、扫描方法、角度的测量方法及加工方法，所述谐振式扫描镜包括：钢片、磁体、驱动线圈和测角线圈，其中：所述钢片包括：第一扭转轴和与之连接的内框，所述内框设置有光滑表面，适于反射光束；所述磁体适于在所述钢片的水平面产生单一指向的磁场；所述驱动线圈位于所述钢片的内框，适于输入驱动电流时，在所述磁体产生的磁场中受力，驱动所述内框旋转；所述测角线圈位于所述钢片的内框，适于测量所述内框的扫描角度。应用上述谐振式扫描镜，一方面可以以较低的成本，实现大口径、大角度的扫描；另一方面，简化了MEMS工艺中采用的压阻或则电容实现角度测量的方法，工艺简单、成本低。

Description

谐振式扫描镜、扫描方法、角度的测量方法及加工方法

技术领域

本发明实施例涉及环境感知技术领域，尤其涉及一种谐振式扫描镜、扫描方法、角度的测量方法及加工方法。

背景技术

随着自动驾驶技术的不断推进，谐振式扫描镜(即振镜)式激光雷达被视作固态激光雷达方案中的一条重要技术路线。谐振式扫描镜可以用来扫描光源发射的光束，广泛地应用于微投影显示系统。相对于传统的投影成像，谐振式扫描镜不但可以用于激光脉冲发射时、反射激光脉冲进行扫描，也可以用于接收并反射激光脉冲的回波信号。

对于长距离探测的激光雷达系统，要求谐振式扫描镜接收时的光学口径具有较大的尺寸，例如，要求扫描镜镜面的直径大于7mm，以及在垂直方向上的光学扫描角最大能达到40度左右、在水平方向上的光学扫描角最大能达到120度左右。

现有的产品方案中，采用微机电系统(Micro Electromechanical Systems，MEMS)工艺制作谐振式扫描镜，例如Microvision公司制作的二维扫描振镜。利用MEMS工艺制作的谐振式扫描镜镜面尺寸一般较小，通常直径为1-2mm，镜面的平整度难以保证，无法实现大口径和大扫描角度的谐振式扫描镜，从而影响谐振式扫描镜在长距离探测的激光雷达中的应用。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是如何以较低的成本，实现一种大口径、大扫描角度的谐振式扫描镜。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种谐振式扫描镜，包括：钢片、磁体、驱动线圈和测角线圈，其中：所述钢片包括：第一扭转轴和与之连接的内框，所述内框设置有光滑表面，适于反射光束；所述磁体适于在所述钢片的水平面产生单一指向的磁场；所述驱动线圈位于所述钢片的内框，适于输入驱动电流时，在所述磁体产生的磁场中受力，驱动所述内框旋转；所述测角线圈位于所述钢片的内框，适于测量所述内框的扫描角度。

可选地，所述钢片还包括：外框和第二扭转轴，其中：所述外框的内外两个方向分别与所述第一扭转轴和所述第二扭转轴连接；所述驱动线圈位于所述钢片的外框，适于输入驱动电流时，在所述磁体产生的磁场中受力，通过所述第一扭转轴，驱动所述内框旋转。

可选地，所述外框的形状为以下任意一种：椭圆形、圆环形和多边形。

可选地，所述多边形为八边形。

可选地，所述内框的形状为以下任意一种：圆形、正方形、椭圆形、矩形和菱形。

可选地，所述光滑表面为镜面。

可选地，所述磁体位于所述钢片的上侧和下侧，相对于所述钢片呈对角分布、且在垂直方向和水平方向的磁极方向均相反。

可选地，所述磁体位于所述钢片的下侧。

可选地，所述驱动电流为交变信号。

本发明实施例提供一种谐振式扫描镜的加工方法，基于钢片加工技术实现上述任一种谐振式扫描镜的所述钢片。

本发明实施例提供一种扫描方法，采用上述任一种谐振式扫描镜，在所述驱动线圈的驱动下，通过所述内框的光滑表面反射光束，进行扫描。

本发明实施例提供一种扫描角度的测量方法，采用上述任一种谐振式扫描镜，通过所述测角线圈测量所述内框的扫描角度。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一种扫描方法的步骤。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一种扫描角度的测量方法的步骤。

本发明实施例提供一种系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一种扫描方法的步骤。

本发明实施例提供一种系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一种扫描角度的测量方法的步骤。

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：

本发明实施例提供了一种基于钢片加工技术的谐振式扫描镜，通过在钢片上设置驱动线圈和测角线圈，一方面通过驱动线圈，驱动内框旋转，通过内框的光滑表面反射光束，可以以较低的成本，实现大口径、大角度的扫描；另一方面，通过测角线圈实现扫描角度的测量，简化了MEMS工艺中采用的压阻或则电容实现角度测量的方法，工艺简单、成本低。

进一步地，驱动线圈设置于外框，并通过第一扭转轴，驱动内框旋转，由于驱动线圈布置在外框上，外框质量较大，频率较低，而内框仍能保持较高的频率，故第一扭转轴和第二扭转轴有较大的频率差，从而实现光栅式扫描。

进一步地，采用椭圆形外框，有利于实现小型化的谐振式扫描镜，进一步降低成本。

进一步地，采用八边形外框，可以减少椭圆形外框扫描图样的畸变，提升扫描性能。

进一步地，磁体设置于钢片的下侧，可以释放钢片上侧的空间，从而实现更大的扫描空间和扫描角度。此外，单侧磁体安装更为便捷和简单，可以进一步降低安装成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种谐振式扫描镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种谐振式扫描镜的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种谐振式扫描镜的立体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种钢片的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种钢片的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种扫描方法的详细流程图；

图7是本发明实施例提供的一种扫描角度的测量方法的详细流程图。

具体实施方式

现有的产品方案中，采用MEMS工艺制作谐振式扫描镜，镜面尺寸一般较小，通常直径为1-2mm，镜面的平整度难以保证，无法实现大口径和大扫描角度的谐振式扫描镜，从而影响谐振式扫描镜在长距离探测的激光雷达中的应用。

本发明实施例提供了一种基于钢片加工技术的谐振式扫描镜，通过在钢片上设置驱动线圈和测角线圈，一方面通过驱动线圈，驱动内框旋转，通过内框的光滑表面反射光束，可以以较低的成本，实现大口径、大角度的扫描；另一方面，通过测角线圈实现扫描角度的测量，简化了MEMS工艺中采用的压阻或则电容实现角度测量的方法，工艺简单、成本低。

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。

参见图1，本发明实施例提供了一种谐振式扫描镜10，包括：钢片11、磁体12、驱动线圈13和测角线圈14，其中：

所述钢片11包括：第一扭转轴111和与之连接的内框112，所述内框112设置有光滑表面，适于反射光束。

所述磁体12适于在所述钢片的水平面产生单一指向的磁场。

所述驱动线圈13位于所述钢片的内框112，适于输入驱动电流时，在所述磁体12产生的磁场中受力，驱动所述内框112旋转。

所述测角线圈14位于所述钢片的内框112，适于测量所述内框112的扫描角度。

在具体实施中，当所述磁体12相对于所述钢片11对角分布，且在垂直方向和水平方向的磁极方向均相反时，可以在所述钢片11所在的水平位置产生一个单一指向的磁场。所述驱动线圈13在驱动电流的驱动下，在磁场中会受到左上侧朝外、右下侧朝内安培力的作用，从而产生扭矩，带动所述内框112旋转，进行空间扫描。

在具体实施中，当所述驱动线圈13位于所述内框112时，由于所述驱动线圈13和所述内框112属于同一个物理实体，故所述内框112在所述驱动线圈13的驱动下，只能朝相同的方向旋转。为了提供更大的扫描空间和扫描角度，可以将所述驱动线圈13和所述内框112设置于不同的物理实体。

在本发明一实施例中，所述钢片11还包括：外框113和第二扭转轴114，其中：所述外框113的内外两个方向分别与所述第一扭转轴111和所述第二扭转轴114连接。所述驱动线圈13位于所述钢片11的外框113，适于输入驱动电流时，在所述磁体12产生的磁场中受力，通过所述第一扭转轴111，驱动所述内框112旋转。

将驱动线圈设置于外框，并通过第一扭转轴，驱动内框旋转，由于驱动线圈布置在外框上，外框质量较大，频率较低，而内框仍能保持较高的频率，故第一扭转轴和第二扭转轴有较大的频率差，从而实现光栅式扫描。

在具体实施中，所述外框113的形状可以为椭圆形，也可以为圆环形，还可以为多边形。

采用椭圆形外框，有利于实现小型化的谐振式扫描镜，进一步降低成本。

在本发明一实施例中，所述外框113的形状为八边形。

采用八边形外框，可以减少椭圆形外框扫描图样的畸变，提升扫描性能。

在具体实施中，所述内框的尺寸可以为圆形、正方形、椭圆形、矩形和菱形中的任意一种。

在具体实施中，所述光滑表面可以为镜面，以适于反射光束。

在具体实施中，所述驱动电流可以为交变信号。

在具体实施中，所述磁体12可以位于所述钢片11的上侧和下侧、相对于所述钢片11呈对角分布、且在垂直方向和水平方向的磁极方向均相反，也可以仅位于所述钢片11的下侧。

当磁体位于钢片的上侧和下侧，且相对于钢片对角分布式时，可以设置垂直方向的磁体磁极方向相反，水平方向的磁体磁极方向相反，从而使得磁场受挤压而分布在钢片所在的水平位置。

当磁体设置于钢片的下侧时，可以释放钢片上侧的空间，从而实现更大的扫描空间和扫描角度。此外，单侧磁体安装更为便捷和简单，可以进一步降低安装成本。

应用上述谐振式扫描镜，通过在钢片上设置驱动线圈和测角线圈，一方面通过驱动线圈，驱动内框旋转，通过内框的光滑表面反射光束，可以以较低的成本，实现大口径、大角度的扫描；另一方面，通过测角线圈实现扫描角度的测量，简化了MEMS工艺中采用的压阻或则电容实现角度测量的方法，工艺简单、成本低。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供了一种谐振式扫描镜的立体结构示意图，如图2所示。

参见图2，所述谐振式扫描镜包括：钢片21、相对于所述钢片21呈对角分布的四块磁体22，驱动线圈23和转角线圈24，其中所述钢片21包括：第一扭转轴211、内框212、第二扭转轴213和外框214，所述驱动线圈23位于所述外框214，所述转角线圈24位于所述内框212。

在具体实施中，所述钢片21、所述磁体22、所述驱动线圈23、所述转角线圈24、所述第一扭转轴211、所述内框212、所述第二扭转轴213和所述外框214的位置关系和功能同图1所示的对应模块的位置关系和功能，此处不再赘述。

在具体实施中，所述磁体22相对于所述钢片21对角分布，且在垂直方向和水平方向的磁体磁极方向均相反，从而在钢片所在的水平位置产生一个单一指向的磁场。所述驱动线圈23在驱动电流的驱动下，在磁场中会受到左上侧朝外、右下侧朝内安培力的作用，从而产生扭矩，带动所述第二扭转轴213和所述第一扭转轴211振动。当输入的驱动电流为交变信号时，所述驱动线圈23受到的安培力也是一个相应频率的交变力，当振动频率与所述第二扭转轴213和所述第一扭转轴211的谐振频率一致时，对应的振动作用会被放大，从而产生一个大角度的扭转并带动所述内框212旋转，进行空间扫描。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供了另一种谐振式扫描镜的立体结构示意图，如图3所示。

参见图3，所述谐振式扫描镜包括：钢片31、位于所述钢片31下侧的磁体32，所述钢片31和所述磁体32的功能同图1所示的对应模块的功能，此处不再赘述。

当磁体设置于钢片的下侧时，可以释放钢片上侧的空间，从而实现更大的扫描空间和扫描角度。此外，单侧磁体安装更为便捷和简单，可以进一步降低安装成本。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供了一种钢片的结构示意图，如图4所示。

参见图4，所述钢片40包括：第一扭转轴41、内框42、第二扭转轴43和外框44，所述外框44的形状为椭圆形，采用椭圆形外框，有利于实现小型化的谐振式扫描镜，降低成本。

所述第一扭转轴41、所述内框42、所述第二扭转轴43和所述外框44的位置关系和功能同图1所示的对应模块的位置关系和功能，此处不再赘述。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供了一种钢片的结构示意图，如图5所示。

参见图5，所述钢片50包括：第一扭转轴51、内框52、第二扭转轴53和外框54，所述外框54的形状为八边形，采用八边形外框，可以减少椭圆形外框扫描图样的畸变，提升扫描性能。

所述第一扭转轴51、所述内框52、所述第二扭转轴53和所述外框54的位置关系和功能同图1所示的对应模块的位置关系和功能，此处不再赘述。

本发明实施例提供了一种谐振式扫描镜的加工方法，基于钢片加工技术实现上述任一种谐振式扫描镜的所述钢片。

在具体实施中，可以基于钢片加工技术实现所述钢片及其包含的内框、第一扭转轴，也可以基于钢片加工技术实现所述钢片及其包含的内框、第一扭转轴、外框和第二扭转轴。

基于钢片的加工技术为常规的机械加工工艺，成本低，便于工程实现，可以制造毫米级甚至厘米级尺寸的大尺寸扫描镜。

在具体实施中，所述内框的光滑表面可以通过集成方式一体制造在所述内框上，也可以利用额外的装配模块组合在所述内框上，本发明实施例不做限制。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供了一种扫描方法，采用上述任一种所述谐振式扫描镜，在所述驱动线圈的驱动下，通过所述内框的光滑表面反射光束，进行扫描。

参见图6，本发明实施例提供了一种扫描方法，可以包括如下步骤：

步骤S601，接收激光脉冲信号。

在具体实施中，可以直接接收激光器发射的激光脉冲，也可以接收准直或者透射后的激光脉冲，本发明实施例不做限制。

步骤S602，将激光脉冲反射至空间，并接收空间障碍物反射的激光脉冲回波信号。

在具体实施中，采用上述谐振式扫描镜，在驱动线圈的驱动下，可以通过摆动将激光脉冲反射至空间的不同位置，并同时接收空间障碍物反射的激光脉冲回波信号。

应用上述扫描方法，可以以较低的成本，实现大口径、大角度的空间扫描，并获取障碍物反射的回波信号。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时上述扫描方法的步骤。

本发明实施例提供一种系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述扫描方法的步骤。

为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，本发明实施例提供一种扫描角度的测量方法，采用上述任一种所述谐振式扫描镜，通过所述测角线圈测量所述内框的扫描角度。

参见图7，本发明实施例提供了一种扫描角度的测量方法，可以包括如下步骤：

步骤S701，提取测角线圈的角信号。

在具体实施中，所述角信号由所述测角线圈产生，可以用来计算所述侧角线圈旋转的角度。

步骤S702，基于所述角信号，计算获取扫描角度。

在具体实施中，可以基于所述角信号和基准信号的差值，计算获取扫描角度。

应用上述方法，可以获取谐振式扫描镜的扫描角度，从而更好地评价谐振式扫描镜的扫描性能。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时上述扫描角度的测量方法的步骤。

本发明实施例提供一种系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述扫描角度的测量方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

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 (10)

1.一种谐振式扫描镜，其特征在于，包括：钢片、磁体、驱动线圈和测角线圈，其中：

所述钢片包括：第一扭转轴和与之连接的内框，所述内框设置有光滑表面，适于反射光束；

所述磁体适于在所述钢片的水平面产生单一指向的磁场；

所述驱动线圈位于所述钢片的内框，适于输入驱动电流时，在所述磁体产生的磁场中受力，驱动所述内框旋转；

所述测角线圈位于所述钢片的内框，适于测量所述内框的扫描角度。

2.根据权利要求1所述的谐振式扫描镜，其特征在于，

所述钢片还包括：外框和第二扭转轴，其中：所述外框的内外两个方向分别与所述第一扭转轴和所述第二扭转轴连接；

所述驱动线圈位于所述钢片的外框，适于输入驱动电流时，在所述磁体产生的磁场中受力，通过所述第一扭转轴，驱动所述内框旋转。

3.根据权利要求2所述的谐振式扫描镜，其特征在于，所述外框的形状为以下任意一种：椭圆形、圆环形和多边形。

4.根据权利要求3所述的谐振式扫描镜，其特征在于，所述多边形为八边形。

5.根据权利要求1至4任一项所述的谐振式扫描镜，其特征在于，所述内框的形状为以下任意一种：圆形、正方形、椭圆形、矩形和菱形。

6.根据权利要求5所述的谐振式扫描镜，其特征在于，所述光滑表面为镜面。

7.根据权利要求5所述的谐振式扫描镜，其特征在于，所述磁体位于所述钢片的上侧和下侧，相对于所述钢片呈对角分布、且在垂直方向和水平方向的磁极方向均相反。

8.一种谐振式扫描镜的加工方法，其特征在于，基于钢片加工技术实现权利要求1至7任一项所述的钢片。

9.一种扫描方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的谐振式扫描镜，在所述驱动线圈的驱动下，通过所述内框的光滑表面反射光束，进行扫描。

10.一种扫描角度的测量方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的谐振式扫描镜，通过所述测角线圈测量所述内框的扫描角度。