CN108061884B - 一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统，包括：激光器、单面反射镜、微镜、会聚透镜和光探测器；所述单面反射镜上开设有第一通孔；所述激光器产生的激光光束经过所述第一通孔出射到所述微镜后，经所述微镜出射至探测目标；从探测目标反射回的回波光束经所述微镜反射至所述单面反射镜后，经所述单面发射镜反射至所述会聚透镜，并经所述会聚透镜会聚至所述光探测器。本发明使用微镜替代机械旋转结构，可以大幅减小设备体积，提高扫描频率，并且耗能更少。

Description

一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种高精度的距离测量设备。作为一种主动探测装置，激光雷达不受白昼黑夜的影响，具有较强的抗干扰能力。除了在地形测绘等领域的应用外，近年来在自动驾驶和无人机领域也引起了极大的关注。传统激光雷达使用多路激光结合机械旋转结构的设计，不仅速度慢、体积大，而且能耗高、成本高。使用微镜替代机械旋转结构，可以大幅减小设备体积，提高扫描频率，并且耗能更少。此外，由于微镜既可以构成一维扫描镜面，又可以在二维面内扫描，仅需一路激光就可以探测整个观测面。这种结构紧凑的设计，使得基于微镜的激光雷达易于嵌入到便携设备中，大大拓宽了其应用情景。

现有的激光雷达系统主要使用机械旋转结构结合多路激光的方案。设备体积和成本都难以下降。公开号为CN 206331115U的中国专利公开了一种旋转电机和一维微镜结合的激光雷达方案，但旋转电机的存在使得系统尺寸的进一步缩小十分困难。此外，该方案使用光敏面3毫米的光探测器，不仅昂贵而且时域响应慢，无法对精度更高的短脉冲激光进行测量。公开号为CN 106707289A的中国专利提出了一种电磁驱动的振镜，但其镜面尺寸为厘米级，远大于传统的MEMS微镜，使其难以获得较大的扫描频率。该专利也没有说明其激光雷达系统的具体构成。完全基于MEMS微镜的激光雷达系统有待进一步的研究和论证。现有的基于MEMS微镜的激光雷达仍主要使用发射和接收窗口分立的方案。收发分置的激光雷达系统的缺点是回波光场的方向分布比较广，致使接收光路比较复杂，增大了系统体积和成本，难以应用在便携设备中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统，包括：激光器、单面反射镜、微镜、会聚透镜和光探测器；

所述单面反射镜上开设有第一通孔；

所述激光器产生的激光光束经过所述第一通孔出射到所述微镜后，经所述微镜出射至探测目标；

从探测目标反射回的回波光束经所述微镜反射至所述单面反射镜后，经所述单面发射镜反射至所述会聚透镜，并经所述会聚透镜会聚至所述光探测器。

进一步地，所述第一通孔的孔径不小于入射至所述单面反射镜的激光光束直径。

进一步地，所述第一通孔的孔径等于入射至所述单面反射镜的激光光束直径。

进一步地，所述激光器为脉冲激光器。所述微镜为动态形变可控的微镜。

进一步地，所述微镜为一维微镜。

进一步地，所述微镜为二维微镜。

进一步地，所述单面反射镜的镜面为微纳结构。

进一步地，所述微镜为静电驱动、电磁驱动、电热驱动或压电驱动。

进一步地，所述光探测器为PN/PIN光电探测器、雪崩光电二极管、光电倍增管、CCD或CMOS探测器。

综上所述，发明提供了一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统，包括：激光器、单面反射镜、微镜、会聚透镜和光探测器；所述单面反射镜上开设有第一通孔；所述激光器产生的激光光束经过所述第一通孔出射到所述微镜后，经所述微镜出射至探测目标；从探测目标反射回的回波光束经所述微镜反射至所述单面反射镜后，经所述单面发射镜反射至所述会聚透镜，并经所述会聚透镜会聚至所述光探测器。本发明使用微镜替代机械旋转结构，可以大幅减小设备体积，提高扫描频率，并且耗能更少。此外，由于微镜既可以构成一维扫描镜面，又可以在二维面内扫描，仅需一路激光就可以探测整个观测面。这种结构紧凑的设计，使得基于微镜的激光雷达易于嵌入到便携设备中，大大拓宽了其应用情景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1是本发明实施例提供的基于微镜的共享窗口激光雷达系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图3是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图4(a)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图4(b)是本发明实施例提供的动态形变可控微镜镜面结构示意图。

图5是本发明实施例提供的动态形变可控微镜结构示意图。

图6是本发明实施例提供的动态形变可控微镜结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本发明提供了一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统，包括：激光器1、单面反射镜2、微镜3、会聚透镜4和光探测器5；

所述单面反射镜2上开设有第一通孔；

所述激光器1产生的激光光束7经过所述第一通孔出射到所述微镜3后，经所述微镜3出射至探测目标6；

从探测目标6反射回的回波光束8经所述微镜3反射至所述单面反射镜2后，经所述单面发射镜反射至所述会聚透镜4，并经所述会聚透镜4会聚至所述光探测器5。

优选的，所述激光器1为脉冲激光器1。

激光器1可以是半导体边发射激光器1、垂直表面腔发射半导体激光器1、光纤激光器1等。

微镜3可以是一种动态形变可控的微镜3，根据具体设计不同，可以是一维或者二维扫描微镜，其驱动方式可以是静电驱动、电磁驱动、电热驱动或者压电驱动等。

具体的，为了实现激光发射和信号接收共用一个窗口，在激光器1和微镜3之间插入单面反射镜2。单面反射镜2的作用是使激光器1出射的激光束的大部分或全部能量顺利通过到达微镜3，同时保证回波光束的大部分能量被发射到会聚透镜4。

单面反射镜2可以通过在全反射镜的中心穿孔、开槽制备。在单面反射镜2上开设第一通孔，优选的，第一通孔位于单面反射镜2的中心。当然，也可以在单面反射镜2的其他位置开设第一通孔。第一通孔面积大于激光光斑尺寸但远小于单面反射镜2的镜面总面积。

当第一通孔的孔径(直径)不小于入射至所述单面反射镜2的激光光束直径时，能够保证全部或近乎全部的激光光束通过单面反射镜2。另外，为了保证全部或近乎全部的激光光束通过单面反射镜2，激光器1的出光口对准第一通孔。

当所述第一通孔的孔径等于入射至所述单面反射镜2的激光光束直径时，可以保证激光器1出射的激光光束恰好通过第一通孔，并能保证回波光束最大限度地经单面反射镜2到会聚透镜4，从而提高探测效率。

为了提高探测效率，单面反射镜2也可以是微纳结构，或者说，反射镜有特殊微纳结构设计的镜面，以实现所需的功能。由于激光出射光束到达探测目标6并返回的时间非常短，以至于微镜3相比于该脉冲出射时没有明显的转动，所以回波光束(图1中的虚线)的方向与出射光束(图1中的实线)恰好相反，近似平行光的回波信号在经过单面反射镜2反射后经会聚透镜4会聚，反射到光探测器5的受光面上，可以被单一光探测器5接收。

所述光探测器5为PN/PIN光电探测器、雪崩光电二极管、光电倍增管、CCD或CMOS探测器。

本发明使用微镜替代机械旋转结构，可以大幅减小设备体积，提高扫描频率，并且耗能更少。此外，由于微镜既可以构成一维扫描镜面，又可以在二维面内扫描，仅需一路激光就可以探测整个观测面。这种结构紧凑的设计，使得基于微镜的激光雷达易于嵌入到便携设备中，大大拓宽了其应用情景。

本发明特别适用于短距离探测和便携设备的应用场景，本发明采用共享发射和接收窗口的激光雷达方案，在这一方案中，微镜3同时充当出射激光和回波光束的扫描反射镜，微镜3的镜面尺寸即决定了受光面积和接收光场的能力。通过在激光器1和微镜3之间引入了具有第一通孔的单面反射镜2，使其通过大部分出射激光能量，同时反射大部分回波能量。回波经微镜3反射后原路返回至单面反射镜2，方向不变，不存在回波方向分布较广的现象，因此经过透镜聚焦后可由单一光探测器5接收。按照本发明的设计方案，完整的激光雷达系统可以只包含一个激光器1、一个微镜3、一个单面反射镜2和一个光探测器5，从而大大减少了元件数量和系统复杂程度。

实施例二：

在实施例一描述的激光雷达系统中，微镜3是光路中重要的光学中继部件和扫描器件。一方面，微镜3的反射面尺寸定义了最大反射面积，另一方面，微镜3基于自身的扫描式结构实现对于光束的扫描。

进一步地，所述微镜3为动态形变可控的微镜。

本实施例二中，微镜3镜面的基本结构如图2所示，包含外镜10、内镜11，内镜11经由连接机构12与外镜10相连，外镜10通过扭转轴13与外部固定锚点相连。外镜10、内镜11以及连接机构12构成一个整体绕旋转轴转动，连接机构12关于微镜旋转轴呈对称分布。

所述外镜10、内镜11、连接机构12以及扭转轴13在SOI晶圆上形成。SOI晶圆由顶部单晶硅器件层，中间二氧化硅掩埋层和底部单晶硅衬底层构成。形成过程包括：通过选择性刻蚀顶部器件层定义微镜的整体结构，包括形成外镜、内镜、连接机构以及扭转轴。内镜和外镜的划分和连接机构的形成是通过选择性蚀刻指定区域实现的。

图2所示的结构中，在SOI上以扭转轴13所在的直线为对称轴，蚀刻两个相互对称的半圆形槽，所述半圆形槽具有第一宽度(H1)和第一半径(R1)，单个半圆形槽两个端点的连线与对称轴平行，并且两个半圆槽之间的具有第一距离(L1)，所述第一宽度(H1)、第一半径(R1)和第一距离(R1)定义了微镜镜面结构的基本形状和尺寸。其中，第一半径(R1)定义了内镜11的尺寸；第一宽度(H1)和第一距离(L1)定义了连接机构12的长度和宽度。外镜10的尺寸由选择性蚀刻过程定义的外镜尺寸来决定。在蚀刻结束后，在内镜和外镜上同时镀高反射率镜面层。高反射率镜面层可以通过例如蒸发镀或者离子反应溅射镀的方式实现，镀层金属可以是金、银、铝，通过控制镀层工艺，保证镜面层的平整度，以保证微镜在扫描过程中呈镜面反射。在一个实例中，镜面平整度在20nm以内。镜面平整度可基于AFM测量等手段来进行验证。

实施例三：

在图2中展示了微镜3的一种结构，在该结构中，内镜11围绕旋转轴旋转。在旋转摆动过程中，微镜整体的固有转动频率由微镜的总转动惯量和扭转轴13的劲度系数决定。因此，通过调整连接机构12的形状和尺寸，以保证微镜整体的转动频率远小于由连接机构12和内镜11所构成振子的固有频率。连接机构12的尺寸可以通过调整第一宽度(H1)和第一距离(L1)，连接机构12的形状可以通过改变蚀刻的图案形成。

在图3展示的微镜结构中，在SOI上以内镜中心为对称点，在同一圆周蚀刻四个弧形槽，四个弧形槽分为两组，每组中的两个弧形型槽关于的内镜中心的对称点相互对称，相邻弧形槽之间的部分形成连接机构14。所述弧形槽具有第二宽度(H2)和第二半径(R2)，并且相邻两个弧形槽之间的具有第二距离(L2)，所述第二宽度(H2)、第二半径(R2)和第二距离(R2)定义了微镜镜面结构的基本形状和尺寸。其中，第二半径(R2)定义了内镜的尺寸；第二宽度(H2)和第二距离(L2)定义了连接机构机构14的长度和宽度。外镜的尺寸由选择性蚀刻过程定义的外镜尺寸来决定。

在图3的实施例中，按照顺时针的顺序，四个弧形槽依次命名为第一弧形槽、第二弧形槽、第三弧形槽、第四弧形槽。根据转动惯量的要求，四个弧形槽之间两两之间的距离可以是相等的第二距离(L2)，也可以设置为不相等(L21，L22，L23，L24)。

在上述实施例中，四个弧形槽是处于一个圆周上的，出于抑制动态形变的目的，所述四个弧形槽的形状拼合成为一个圆周，其实际位置通过爆炸图的形式展开而相互间隔。

在图4(a)展示的微镜结构中，在SOI上以内镜中心为对称点，刻蚀相互对称的第一槽和第二槽、以及相互对称的第三槽和第四槽结构。

如图4(b)所示，所述第一槽结构具有如下形状：设置一个圆环，圆环的圆心可以与内镜中心重合，也可以根据结构动态形变值与内镜中心偏离一个单位距离，圆环的外径为RA，内径为RB，使用半径为RC的圆弧对所述圆环进行切割,切割圆弧与圆环围成两个部分，劣弧段所在的部分即为第一槽；第二槽与所述第一槽关于所述内镜中心镜像对称。

当然，根据具体的动态形变抑制情况，用于切割所述同心圆的还可以是抛物线结构，抛物线与同心圆围成的劣弧所在部分构成第一槽，第二槽与所述第一槽关于所述内镜中心镜像对称。

所述第三槽具有如下结构：设置一个抛物线y＝ax2+b，在抛物线对称轴上抛物线焦点侧的对称轴上设置圆心,设置半径为RD的圆，所述圆与抛物线顶点所在部分围成的图形构成第三槽。所述第三槽与第四槽关于所述内镜中心镜像对称。

实施例四：

在本实施例中，为了将内镜11的动态形变降至最低，采用如下步骤进行处理：

在确定外镜10、内镜11以及扭转轴13的形状尺寸之后，对结构进行有限元计算分析。基于有限元分析，得出外镜10中心孔边缘的动态形变分布，再将连接机构12靠近外镜10的一端设置在形变最小处。

然后再进行整体的动态形变计算，进一步检查连接机构靠近外镜一端附近的动态形变分布，移动连接机构到新的最小值附近。

如此重复数次，直至达到要求的形变数值。

对于不同的内镜结构，基于有限元实验得到的结果并不相同。图2所示的单一矩形连接轴12，该连接轴设置的位置位于外镜10边缘，与扭转轴处于同一直线的位置，由此达到轴向转动的动态形变最低。

图3展示了分别连接在内镜和外镜边缘4个不同位置的4根横梁构成连接机构14，此结构方案适用于外镜动态形变最小值不在边缘中心的情况。

图4展示了连接机构15由两个C型连接机构组成，分别连接在外镜边缘的两个中心位置和内镜边缘的4个不同位置。此设计方案适用于外镜动态形变最小值位于边缘中心的情况。

在图3、图4展示的结构中，内镜和外镜之间具有四个接触点多，四个接触点的合理选择也有利于进一步压制内镜动态形变。

实施例五：

以上的实施例中的微镜镜面可以由不同原理进行驱动，包括且不限于静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动。

图5展示了一种一维静电驱动微镜的驱动结构，微镜镜面经由扭转轴被固定于锚点16上，并与外部电源相连。

动梳齿18位于外镜两侧与静梳齿17交叉分布，静梳齿17经由焊接区19与外部电源的另一极相连。当外部电源施加周期性电压激励时，微镜镜面即可进行一维旋转。

在一个示例中，动静梳齿为平面梳齿。

在一个示例中，动静梳齿为垂直梳齿。

基于梳齿结构，该微镜既可以工作于谐振模式也可以工作于准静态模式。

在本实施例中，动梳齿18直接设置于外镜镜面两侧会增大外镜的动态形变。利用前述实施例中，内镜和外镜分离，以及将连接机构12设置于动态形变最小的设计可以有效地削弱该动态形变向内镜的传递。

实施例六：

如图6所示，通过将镜面与可旋转的平衡架结构23相连，并提供二对梳齿阵列20和22，即可搭建一个二维静电驱动微镜。其中第二对梳齿阵列22与第一对梳齿阵列20的排列方向相垂直。由于隔离凹槽24和25的存在，该二维微镜由21、26和27三个微电极控制，从而实现在两个互相垂直的方向上独立地偏转。梳齿阵列20/22可以是平面梳齿也可以是垂直梳齿，分别对应李萨如扫描模式和逐行扫描模式。

实施例七：

本实施例将具体描述实施例一至六中的微镜结构的特征尺寸。如前所述，在本发明实施例中，内镜和外镜采用了相互分离的结构，微镜的特征尺寸由外镜的尺寸来定义，因此微镜镜面的总尺寸是常见产品数倍，这样可以提供足够大的回波光束接收面积。

在一系列具体的微镜结构中，外镜特征尺寸选自2毫米-20毫米之间的尺寸，内镜的特征尺寸选自0.5毫米-4毫米。外镜尺寸较大仅用于接收回波光束，内镜尺寸较小，用于偏转出射激光光束和接收一部分回波光束。

通过前述实施例中描述的方式，内镜和外镜之间有特定形状和尺寸的连接机构，通过将连接机构靠近外镜的一端设置在外镜动态形变较小的位置，削弱外镜动态形变向内镜的传递。从而保证内镜动态形变较小，压制出射激光的光斑畸变。外镜动态形变相对较大，但由于微镜到光电探测器的距离很近，回波光束的光斑畸变绝对值很小，回波能量的损失可以忽略不计。

就微镜的尺寸而言，较大的镜面尺寸会增大微镜的转动惯量，进而减小固有转动频率和最大转动角度，此时可以通过使用较薄的器件层来减小转动惯量。在一个具体的示例中，微镜的特征厚度被减薄到10-80微米。

实施例八：

在前述实施例中提及了扫描镜的梳齿结构，本实施例则着重介绍前述具有垂直梳齿结构的微镜并阐述其加工方法。

微镜结构设置在SOI晶圆上，所述SOI晶元从上到下依次为第一层单晶硅器件层、第一层氧化硅绝缘层、第二层单晶硅器件层、第二层氧化硅绝缘层和单晶硅衬底层。按照如下步骤制造所述微镜边缘的梳齿结构：

步骤1，通过一次光刻，形成动梳齿和静梳齿的掩膜。

步骤2，再通过干刻工艺依次刻蚀穿透第一层单晶硅器件层、第一层氧化硅绝缘层、第二层单晶硅器件层，并在第二层氧化硅绝缘层表面处停止。

步骤3，在步骤2的刻蚀过程结束后，在晶圆表面形成光刻胶，光刻胶的种类和厚度要能够遮盖住干刻形成的缝隙。具体地，所述涂胶过程，可以一次涂胶形成，也可多次涂胶完成缝隙的覆盖。

步骤4，也可以先沉积一层介质封住干刻缝隙，再进行涂胶。

步骤5，然后光刻裸露出动梳齿和镜面部分，以光刻胶为掩膜刻蚀掉动梳齿和镜面结构上的第一层单晶硅器件层和第一层氧化硅绝缘层，并去除光刻胶。

步骤6，接着沉积金属薄膜形成反射镜面和焊盘。

步骤7，最后进行背腔刻蚀，释放微镜的可动结构。

通过以上步骤形成的微镜，其静梳齿有上下两层，因此驱动电压的施加至少有如下三种情况：

第一种情况，在上层静梳齿与动梳齿之间施加电压，实现谐振式、准静态或数字式扫描；

第二种情况，下层静梳齿与动梳齿之间，实现谐振式扫描；

第三种情况，上下层静梳齿交替施加驱动电压，不间断地对动梳齿施加静电力。

在上述驱动方式中，静梳齿的某一层或两层的某一部分或全体可以施加静偏压，实现谐振频率的调节和偏转角度的反馈。本发明提出的垂直梳齿微镜，工艺简单、成本可控、功能丰富，并且无需牺牲器件性能，适用于多样的应用场景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微镜的共享窗口激光雷达系统，其特征在于，包括：激光器、单面反射镜、微镜、会聚透镜和光探测器；

所述单面反射镜上开设有第一通孔；

所述激光器产生的激光光束经过所述第一通孔出射到所述微镜后，经所述微镜出射至探测目标；

从探测目标反射回的回波光束经所述微镜反射至所述单面反射镜后，经所述单面发射镜反射至所述会聚透镜，并经所述会聚透镜会聚至所述光探测器；

所述微镜包括外镜、内镜、连接机构和扭转轴，所述内镜经由所述连接机构与所述外镜相连，所述外镜通过所述扭转轴与外部固定锚点相连，

所述外镜用于接收所述回波光束，所述内镜用于偏转所述激光光束和接收部分所述回波光束，所述外镜与所述内镜采用相互分离的结构，所述连接机构靠近所述外镜的一端设置在所述外镜动态形变较小的位置，用于削弱所述外镜动态形变向内镜的传递，以及减小所述内镜的动态形变，压制出射激光的光斑畸变，减少回波能量的损失。

2.根据所述权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一通孔的孔径不小于入射至所述单面反射镜的激光光束直径。

3.根据所述权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一通孔的孔径等于入射至所述单面反射镜的激光光束直径。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微镜为动态形变可控的微镜。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微镜为一维微镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微镜为二维微镜。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单面反射镜的镜面为微纳结构。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微镜为静电驱动、电磁驱动、电热驱动或压电驱动。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光探测器为PN/PIN光电探测器、雪崩光电二极管、光电倍增管、CCD或CMOS探测器。

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