一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统包括：激光器出射的光束经过准直模块进行初步准直，在准直模块远离激光器的一侧放置一个深孔光阑，激光器出射的光束通过深孔光阑入射到MEMS进行反射；MEMS可以控制反射光束的方向，MEMS反射的光束进入到由自由曲面透镜组成的发射模块，并入射到目标面发生漫反射；通过漫反射的光束经过自由曲面反射镜反射到探测器，探测器接收到光束并获取探测器的位置；本发明专利技术中MEMS激光雷达发射系统和接收系统分别采用了自由曲面透镜和自由曲面反射镜，可以减少系统中光学元件的数量，有效地解决了现有MEMS激光雷达的不足。有MEMS激光雷达的不足。有MEMS激光雷达的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统


[0001]本专利技术涉及自动驾驶激光雷达
，具体为一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统。

技术介绍

[0002]随着人工智能技术的发展，自动驾驶变得越来越普及，自动驾驶将会成为汽车发展的一个重要的趋势；激光雷达是自动驾驶里面的核心单元，对远距离障碍物的探测具有非常重要的作用。
[0003]MEMS(微机电系统)激光雷达是自动驾驶中应用非常广泛的一种激光雷达， MEMS作为一个微振镜，相当于一个转向器件，可以控制光束沿不同方向扫描。目前的激光雷达里面的发射系统与接收系统里面的光学元件大部分都是传统的球面与非球面透镜，因此系统中透镜数量比较多，系统结构比较复杂，装调困难，重量较大；作为车载系统，轻量化具有非常重要的意义，本专利技术中的MEMS激光雷达发射系统和接收系统分别采用了自由曲面透镜和和自由曲面反射镜，可以减少系统中光学元件的数量，有效地解决了现有MEMS激光雷达的不足。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
[0006]因此，本专利技术解决的技术问题是：现有技术中光学元件数量较多 、系统结构复杂、装调困难和重量较大的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，包括：激光器出射的光束经过准直模块进行初步准直，在所述准直模块远离所述激光器的一侧放置一个深孔光阑，所述激光器出射的光束通过所述深孔光阑入射到MEMS进行反射；所述MEMS反射的光束进入到由自由曲面透镜组成的发射模块，并入射到目标面发生漫反射；通过所述漫反射的光束中沿特定方向反射的光经过自由曲面反射镜反射到探测器，所述探测器接收到光束并获取目标物体的位置。
[0008]作为本专利技术所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：所述激光器包括半导体激光器或光纤激光器；所述准直模块包括球面透镜或非球面透镜，透镜可以使用1~2片；所述深孔光阑的孔径形状为圆形或矩形，圆形孔径深孔光阑的口径一般不超过3mm，矩形孔径深孔光阑的对角线长度一般不超过3mm，所述深孔光阑的深度与口径之比大于5；所述发射模块包括多个柱状自由曲面透镜，并利用所述柱状自由曲面透镜将光线
折射到目标面；所述自由曲面反射镜表面镀有高反膜，且反射率大于95%。
[0009]作为本专利技术所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：所述MEMS的反射包括，激光器出射的光束经过所述深孔光阑后光束口径比较小，可以取光束中心的光线作为采样光线，代替整个光束；所述MEMS转动到不同的位置光束经过所述MEMS反射的方向也不同，随着所述MEMS的二维扫描，经过所述MEMS反射的光束沿着水平方向的扫描范围是
‑
10到10度，沿着竖直方向的扫描范围也是
‑
10到10度。
[0010]作为本专利技术所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：所述发射模块的设计包括，经过所述MEMS反射的光束进入所述发射模块后，沿水平方向的扫描角被放大到，每个自由曲面透镜对于扫描角的放大比例的计算包括，其中, 表示自由曲面透镜的个数；所述自由曲面透镜包括平面和自由曲面，自由曲面主要用于扩大水平方向扫描的角度，入射到所述发射模块的光束经过第一个自由曲面透镜后，沿水平方向的扫描角度被扩大为，沿竖直方向的扫描角度仍然为 ，确定经过所述自由曲面出射光线的角位置并将入射光线和出射光线用矢量表示；所述MEMS每转到一个位置就对应1条采样光线，转到不同的位置可以产生若干条采样光线 ，即入射到自由曲面透镜平面的光线；所述采样光线经过平面折射后的折射光线为 ，经过自由曲面得到出射光线为 ，所述采样光线、折射光线和出射光线在空间中对应的角度都可以获取。
[0011]作为本专利技术所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：还包括，以自由曲面的中心点Q
11
作为初始点，入射到初始点Q
11
的光线 在该点发生折射，折射光线为,根据折射定律矢量形式求出过Q
11
点的法向矢量N
11
，从而获得过初始点Q
11
的切平面，入射光线与过Q
11
的切平面相交得到点Q
12
，入射到Q
12
的入射光线经过点Q
12
折射，折射光线，根据折射定律矢量形式求出过Q
12
的法向矢量N
12
，从而获得过Q
12
的切平面，不断重复获取切平面的过程以及光线与切平面求交点的过程可以求出对应的交点得到Q
13
，Q
14
，
…
，Q
1m
，将Q
13
，Q
14
，
…
，Q
1m
关于z轴对称得到Q
1,
‑2，Q
1,
‑3，
…
，Q
1,
‑
m
，从而构成自由曲面上的第1条曲线C1；
通过确定所述曲线C1来确定所述自由曲面上的第2条曲线C2的点，入射光线与过Q
11
的切平面相交得到点Q
21
，入射光线与过Q
12
的切平面相交得到点Q
22
，不断重复获取相交点的过程可以得到第2条曲线C2上的点，通过重复获取曲线的过程可计算出所述自由曲面上所有采样点；当获取所述自由曲面上所有采样点后即可构建自由曲面透镜，将经过第1个自由曲面透镜出射的光线作为第2个自由曲面透镜的入射光线，按照设计自由曲面透镜1的方法，继续设计自由曲面透镜2。
[0012]作为本专利技术所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：所述自由曲面反射镜的设计包括，将所述发射模块中最后一个自由曲面出射的采样光线经过漫反射的光线中沿特定方向反射的光线作为所述自由曲面反射镜的接收光线；确定所述自由曲面反射镜的初始点D
11
，第1条采样光线r
11
入射到初始点后反射到像点T，根据反射定律矢量形式求出过点D
11
的法向矢量M
11
，从而获得过点D
11
的切平面，入射光线r
12
与过点D
11
的切平面相交于点D
12
，第2条采样光线入射到点D
12
后反射到像点T，根据反射定律矢量形式求出过点D
12
的法向矢量M
12...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于，包括：激光器出射的光束经过准直模块进行初步准直，在所述准直模块远离所述激光器的一侧放置一个深孔光阑，所述激光器出射的光束通过所述深孔光阑入射到MEMS进行反射；所述MEMS反射的光束进入到由自由曲面透镜组成的发射模块，并入射到目标面发生漫反射；通过所述漫反射的光束中沿特定方向反射的光束经过自由曲面反射镜反射到探测器，所述探测器接收到光束并获取目标物体的位置。2.如权利要求1所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：所述激光器包括半导体激光器或光纤激光器；所述准直模块包括球面透镜或非球面透镜，透镜可以使用1~2片；所述深孔光阑的孔径形状为圆形或矩形，圆形孔径深孔光阑的口径一般不超过3mm，矩形孔径深孔光阑的对角线长度一般不超过3mm，所述深孔光阑的深度与口径之比大于5；所述发射模块包括多个柱状自由曲面透镜，并利用所述柱状自由曲面透镜将光线折射到目标面；所述自由曲面反射镜表面镀有高反膜，且反射率大于95%。3.如权利要求2所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：所述MEMS的反射包括，激光器出射的光束经过所述深孔光阑后光束口径比较小，可以取光束中心的光线作为采样光线，代替整个光束；所述MEMS转动到不同的位置光束经过所述MEMS反射的方向也不同，随着所述MEMS的二维扫描，经过所述MEMS反射的光束沿着水平方向的扫描范围是
‑
10到10度，沿着竖直方向的扫描范围也是
‑
10到10度。4.如权利要求3所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：所述发射模块的设计包括，经过所述MEMS反射的光束进入所述发射模块后，沿水平方向的扫描角被放大到，每个自由曲面透镜对于扫描角的放大比例的计算包括，其中，表示自由曲面透镜的个数；所述自由曲面透镜包括平面和自由曲面，自由曲面主要用于扩大水平方向扫描的角度，入射到所述发射模块的光束经过第一个自由曲面透镜后，沿水平方向的扫描角度被扩大为，沿竖直方向的扫描角度仍然为，确定经过所述自由曲面出射光线的角位置并将入射光线和出射光线用矢量表示；所述MEMS每转到一个位置就对应1条采样光线，转到不同的位置可以产生若干条采样光线，即入射到自由曲面透镜平面的光线；
所述采样光线经过平面折射后的折射光线为，经过自由曲面得到出射光线为，所述采样光线、折射光线和出射光线在空间中对应的角度都可以获取。5.如权利要求4所述的基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：还包括，以自由曲面的中心点Q
11
作为初始点，入射到初始点Q
11
的光线在该点发生折射，折射光线为，根据折射定律矢量形式求出过Q
11
点的法向矢量N
11
，从而获得过初始点Q
11
的切平面，入射光线与过Q
11
的切平面相交得到点Q
12
，入射到Q
12
的入射光线经过点Q
12
折射，折射光线，根据折射定律矢量形式求出过Q
12
的法向矢量N
12
，从而获得过Q
12
的切平面，不断重复获取切平面的过程以及光线与切平面求交点的过程可以求出对应的交点得到Q
13
，Q
14
，
…
，Q
1m
，将Q
13
，Q
14
，
…
，Q
1m
关于z轴对称得到Q
1,
‑2，Q
1,
‑3，
…
，Q
1,
‑
m
，从而构成自由曲面上的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏宙平，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：