基于MEMS的LIDAR制造技术

本发明专利技术涉及一种系统，用于测量如空气中颗粒这样的颗粒的速度。本发明专利技术具体涉及具有微机电系统(MEMS)的激光雷达(LIDAR)系统。

LIDAR based on MEMS

The present invention relates to a system for measuring the velocity of particles such as particles in air. The invention relates to a laser radar (LIDAR) system having a microelectromechanical system (MEMS).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于MEMS的LIDAR
本专利技术涉及一种系统，用于测量如空气中颗粒这样的颗粒的速度。本专利技术具体涉及具有微机电系统(MEMS)的激光雷达(LIDAR)系统。
技术介绍
众所周知，LIDAR可用于测量颗粒的速度。通常，使用诸如望远镜的单个光束聚焦光学单元来测量速度。单个望远镜通常都用作光的发射器和接收器，该光通常是激光束。首先，通过望远镜将光发射到目标，其次，光在目标物体处散射，最后通过望远镜接收后向散射光，从而可以确定速度分量。具有单个望远镜的LIDAR系统限于视线测量，不能确定例如具有多个速度分量的风场。确定多个速度分量，即多个速度矢量的一个解决方案是在望远镜中实现扫描单元，使得可以获得更宽的视场。另一个解决方案是使用多个望远镜，例如通过分割单个光束而例如同时测量风速分量。后一种解决方案的缺点意味着发射的光功率的下降。因此，已经提出在多个光束聚焦光学单元之间切换单个光束，特别是使得光束聚焦光学单元指向相同的探测器体积，从而提供相同目标体积的不同视图。为了在多个光束聚焦光学单元之间切换光束，具体地提出使用光纤，以便在光功率损耗很小的情况下将光束切换并耦合到光束聚焦光学单元中。使用光纤首先将固定的光配置和特定传输提供到例如多个光束聚焦光学单元中。在这方面，光纤解决方案是非常稳定的系统。另一方面，这个解决方案对于光束聚焦光学单元的配置，确切地说对准也极为敏感。例如，在LIDAR系统的组装中，光束聚焦光学单元可以易于未对准，然后可以调节光纤以适应光束聚焦光学单元的未对准。可替换地，可以将光束聚焦光学单元调整到光纤，或者两种方法的组合可以提供总体对准的LIDAR系统。这样的对准是麻烦和有时间要求的。此外，如果LIDAR系统安装在例如风力涡轮机的顶部，则可能不容易对准光纤或光束聚焦光学单元，因此需要提供容易且简单光束对准的LIDAR系统。
技术实现思路
为了解决和应对上述问题和难题，本公开内容提供了一种LIDAR系统，包括：光束生成部，适于生成输出光束；多个光束聚焦光学单元，每个具有至少一个光学元件，所述光学元件限定光轴；及与光束生成部光学连接的光束控制元件，并且包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置的至少一个反射元件，所述光束控制元件被配置为通过选择性地定位反射元件而使得可以在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导输出光束，及其中，选择反射元件的选定位置，使得输出光束与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴对准。通过据此公开的本专利技术，可以容易地将输出光束与光束聚焦光学单元的光轴对准，例如通过简单地改变反射元件的选定位置。选定位置可以基于期望的设计，例如理论设计或原型设计。可替换地，选定位置可以基于组装的系统的性能参数。应当注意，通过将输出光束与光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴对准，应当理解，这是在例如MEMS和光轴的确定的精度内的。因此，在实际中，与光轴的对准在一定的精确度内，使得输出光束偏离光轴例如小于5度、例如小于4度、例如小于3度、例如小于2度，优选地小于1度和/或更优选小于0.1度。然而，例如在组装或安装光束聚焦光学单元期间，容易发生光轴偏离所期望的设计(称为未对准)。然而，也可能由于诸如温度变化这样的环境条件而发生未对准，从而使光束聚焦光学单元中的光学元件或其他材料(例如固定光学元件的材料)收缩或膨胀。因此，通过本专利技术，可以简单地通过改变反射元件的选定位置来适应光束聚焦光学单元的未对准。与典型的对准相比，本专利技术提供的对准可以至少取消光束聚焦光学单元的机械对准。取消机械对准可能是很好的，特别是当LIDAR系统放置在风力涡轮机的顶部而难以执行机械对准时。即使光束聚焦光学单元可以从风力涡轮机的顶部卸下并且在地面上机械对准，当LIDAR系统再次安装在风力涡轮机的顶部时仍然存在未对准光束聚焦光学单元的风险。因此，本专利技术提供了一种LIDAR系统，其可以例如通过远离LIDAR系统改变选定位置而以低风险对准。本专利技术还提供了一种LIDAR系统，其中光纤不必耦合到光束聚焦光学单元中，因为MEMS能够将输出光束直接引导到光束聚焦光学单元中。以这种方式，可以提供光束聚焦光学单元的更简单的对准，因为无需光纤与光束聚焦光学单元对准。另一方面，需要实现的唯一事情是确定MEMS的反射元件的选定位置的位置，使得能够最佳地通过光束聚焦光学单元来发射并接收输出光束。通过如所述的在LIDAR系统中具有MEMS，实现了其它几个效果。首先，具有反射元件的MEMS能够在位置之间快速切换。以这种方式，本专利技术可以类似于具有同时发射和接收的多个光束聚焦光学单元的LIDAR系统。然而，本专利技术可以比这样的LIDAR系统更好，因为由于不分割光束所以光损耗可以非常小，而且因为在反射元件中可以存在低的插入损耗。其次，由于如所述的MEMS具有反射元件，提供了对波长变化(例如，如果反射元件被适当地涂层)不敏感的光束控制元件。例如，如果光源随着时间的推移而失调，波长变化例如可以在诸如几个月甚至几年的长时间段内发生。因此，本专利技术提供了一种提供高效、准确和稳定的精确对准的LIDAR系统。第三，MEMS中的反射元件可以对环境因素不敏感，例如天气条件，例如湿度或温度。结果，本专利技术可以提供工作不会劣化的LIDAR系统，从而延长系统的使用寿命。第四，MEMS可以对偏振不敏感。因此，本专利技术提供了无需偏振控制的LIDAR系统，从而提供了易于制造的LIDAR系统。此外，MEMS内的反射元件可以提供一种LIDAR系统，其给予了提供调节焦距的能力的优点。本文所公开的LIDAR系统可以是相干多普勒LIDAR系统。在这种系统中，系统发射光束并从目标接收一部分后向散射光，使得后向散射光与由本地振荡器生成的参考光束相干地叠加。因此，LIDAR系统可以包括本地振荡器。本地振荡器可以包括生成光学器件，例如参考楔，例如负责生成反射信号。因此，可以借助参考光束在检测器上接收后向散射光，从中可以推导出目标的视线或径向速度。因此，后向散射光可以是多普勒偏移的目标信号和未偏移的参考信号，即，检测器可以接收多普勒频谱，从其可以例如在信号处理器中执行诸如频率分析的分析。通过具有多个光束聚焦光学单元，可以求解该目标和/或多个目标的多个速度矢量。相干多普勒LIDAR系统由于本地振荡器的相位噪声而易于受到相位诱导强度噪声(PIIN)的影响，该相位噪声通过来自目标的后向散射光的波震动而转换为强度噪声。PIIN至少取决于来自本地振荡器的信号的功率、剩余光的功率、光束生成部的相干时间以及本地振荡器和后向散射光之间的延迟时间。由于本地振荡器和后向散射光之间的延迟时间，PIIN取决于从目标到本地振荡器的光程的配置，从而取决于LIDAR系统的配置。具体来说，PIIN随着在本地振荡器和后向散射光之间的平方延迟时间而增加，因此PIIN随着从目标到本地振荡器的平方光程而增加。换句话说，PIIN对光程非常敏感，因此最好尽可能缩短光程以降低PIIN。然而，本文所公开的LIDAR系统中的MEMS的实现可以具有增加PIIN的效果，这是由于与其他LIDAR系统相比增加的光程。然而，借助其他效果描述的优点提供了在测量颗粒速度方面具有很大优势的LIDAR系统。附图说明图1示出了根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LIDAR系统，包括：光束生成部，所述光束生成部适于生成输出光束；多个光束聚焦光学单元，每个光束聚焦光学单元具有至少一个光学元件，所述光学元件限定一条或多条光轴；及光束控制元件，所述光束控制元件与所述光束生成部光学连接，并且包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置的至少一个反射元件，所述光束控制元件位于所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个上，及被配置为通过选择性地定位所述反射元件而使得能够在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导来自所述至少一个反射元件的输出光束，及其中，选择所述反射元件的选定位置，使得被引导的输出光束与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.19 EP 14199178.61.一种LIDAR系统，包括：光束生成部，所述光束生成部适于生成输出光束；多个光束聚焦光学单元，每个光束聚焦光学单元具有至少一个光学元件，所述光学元件限定一条或多条光轴；及光束控制元件，所述光束控制元件与所述光束生成部光学连接，并且包括微机电系统(MEMS)，所述微机电系统包括适于布置在多个位置的至少一个反射元件，所述光束控制元件位于所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个上，及被配置为通过选择性地定位所述反射元件而使得能够在每个光束聚焦光学单元的至少一个光学元件之间可互换地引导来自所述至少一个反射元件的输出光束，及其中，选择所述反射元件的选定位置，使得被引导的输出光束与所述光束聚焦光学单元中的至少一个光学元件的光轴中的至少一个对准。2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述系统被配置为用于测量固体和/或扩散的目标的速度。3.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述系统被配置为使得所述光束聚焦光学单元被聚焦在不同的目标体积。4.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述系统是相干多普勒LIDAR系统。5.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述系统还包括光循环器，所述光循环器包括被配置为与至少所述光束生成部和所述光束控制元件光学连接的至少两个端口。6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，所述光学连接由标准单模光纤提供。7.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部是波长可调激光器。8.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述光束生成部是全半导体光源。9.根据权利要求1-8中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述输出光束是连续波激光束。10.根据权利要求1-8中任一项所述的LIDAR系统，其中，所述输出光束是脉冲波激光束。11.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，来自每个所述光束聚焦光学单元的所述输出光束在1-1000米之间的焦距处聚焦。12.根据前述权利要求中任一项所述的LIDAR系统，其中，来...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·K·延森，P·J·罗德里戈，C·彼泽森，扈琪，
申请(专利权)人：文达光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK