一种扫描反射镜及其扫描方法与流程

本发明涉及反射镜领域，尤其涉及一种扫描反射镜及其扫描方法。

背景技术：

从2D激光雷达拓展到3D激光雷达时，需要在纵向上增加扫描点数，主流有两种方式：采用多线2D扫描镜实现纵向扫描方式和采用一维扫描镜实现纵向扫描方式。但多线2D扫描模式可扩展空间太小，提高纵向分辨率即相当于增加线程，线程的增加会使结构更复杂，成本更高。对比之下，尽管目前采用的一维扫描镜实现纵向扫描方式技术不太成熟，但是可扩展空间较大，其一维扫描镜扫描频率的提高可以显著的增加纵向分辨率。而目前主流的一维激光扫描器难以满足其需求。

目前主流的一维激光扫描器有压电陶瓷扫描器、音圈电机扫描器以及MEMS扫描器，其中压电陶瓷扫描器的光学扫描角度通常很小，难以满足正负10度以上的光学扫描；此外音圈电机扫描器的扫描频率较小，难以满足300Hz以上的扫描频率；且现有技术中的扫描器难以满足在固定扫描幅度和频率下工作。

因此，亟需一种能够同时满足大角度、高频率、大镜面且能够在固定扫描幅度和频率下工作的一维激光扫描反射镜。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大角度、高频率、大镜面且能够在固定扫描幅度和频率下工作的扫描反射镜及其扫描方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种扫描反射镜，包括激光反射模块和激光反馈模块；所述激光反射模块用于对激光进行反射；所述激光反馈模块通过对扫描反射镜幅度和频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

进一步地，所述激光反射模块包括线圈、底座、转轴和反射镜，所述线圈通过线圈支架固定于所述底座的上表面，所述反射镜固定于所述底座的下表面，所述底座侧边设置有转轴，所述反射镜在所述线圈通电状态下绕所述转轴偏转。

进一步地，所述底座中部设置有线圈引线端，所述线圈的引线经过所述线圈支架连接到所述线圈引线端，再通过连接线与外部驱动电路相连，所述引线通电后用于驱动所述线圈。

进一步地，所述线圈支架上端设置有U型凹槽，所述线圈固定于所述线圈支架的U型凹槽中，所述线圈支架中部设置有小孔。

进一步地，所述激光反馈模块包括半导体激光器、光探测器和小孔，所述半导体激光器用于发射激光，所述光探测器用于接收激光。

具体地，所述半导体激光器、光探测器以及小孔设置于同一条直线上，所述半导体激光器和所述光探测器分别设置于所述小孔的两侧，所述小孔为扇形孔，所述半导体激光器和所述光探测器分别部分嵌入两个磁铁固定板中。

进一步地，所述扫描反射镜还包括外壳、轴承、磁铁和弹簧，所述外壳的两侧边上各设置有一个孔位，两个孔位关于所述外壳的中心轴线对称，所述孔位用于安装轴承，转轴通过所述轴承与所述外壳连接。

进一步地，所述外壳的顶部设置有安装孔，磁铁固定板上端通过螺丝固定于所述安装孔中；所述磁铁固定板上设置有螺纹孔，所述磁铁通过螺栓固定于所述磁铁固定板中；所述磁铁和所述磁铁固定板各有两个，分别设置于线圈的两侧，所述磁铁固定板与底座之间设置有弹簧，所述弹簧用于维持反射镜的镜面初始状态处于平衡位置。

本发明还公开了一种扫描反射镜的扫描方法，包括如下步骤：

S1. 3D激光雷达的红外激光器产生激光光束并照射在反射镜上，所述反射镜绕转轴在纵向上偏转，同时在横向上旋转；

S2. 所述激光光束经过反射镜反射后，在周围空间内形成光斑点阵；

S3. 3D激光雷达的探测器模块接收经过障碍物反射得到的红外激光信号，通过发射激光和接收激光的时间差来计算障碍物与扫描反射镜的距离。

进一步地，所述反射镜绕转轴在纵向上偏转具体包括如下步骤：

S101. 通过外部驱动电路给线圈加载交流电，通电线圈在磁场中产生的洛伦兹力使反射镜发生偏转；

S102. 在反射镜偏转过程中，半导体激光器发射的激光一部分通过小孔被光探测器接收，另一部分被线圈支架挡住未被光探测器接收；

S103. 将光探测器接收到的激光经信号处理电路进行处理，通过反射镜的幅度以及频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的扫描反射镜的扫描角度大，可以满足正负15°的光学扫描；

(2)本发明的扫描反射镜的扫描频率＞300Hz；

(3)本发明的扫描反射镜的镜面尺寸≥10mm×10mm；

(4)本发明的扫描反射镜可保持在固定扫描幅度下工作；

(5)本发明的扫描反射镜可保持在固定频率下工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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是本发明的一种扫描反射镜结构示意图。

图2是本发明的一种扫描反射镜的激光反射模块结构示意图。

图3为线圈不通电时激光反射模块的状态示意图。

图4为电流顺时针通过线圈时激光反射模块的状态示意图。

图5为电流逆时针通过线圈时激光反射模块的状态示意图。

图6为本发明的3D激光雷达扫描示意图。

图7为本发明的一种扫描反射镜的反馈通路示意图。

图8为本发明的一种扫描反射镜的幅度反馈原理示意图。

图9为本发明的一种扫描反射镜的电平-幅度反馈原理示意图。

图10为本发明的一种扫描反射镜的频率反馈原理示意图。

其中，图中附图标记对应为：111-外壳，112-轴承，121-磁铁，122-磁铁固定板，123-弹簧，130-激光反馈模块，131-半导体激光器，132-光探测器，140-激光反射模块，141-线圈，142-线圈支架，143-小孔，144-线圈引线端，145-连接线，146-底座，147-螺纹孔，148-反射镜，149-转轴，151-红外激光器，152-激光光束，153-光斑点阵。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，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的一部分实施例，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作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1：

请参阅图1-2。如图所示，本发明公开了一种扫描反射镜，包括激光反射模块140和激光反馈模块130；所述激光反射模块140用于对激光进行反射；所述激光反馈模块130通过对扫描反射镜幅度和频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

所述激光反射模块140包括线圈141、底座146、转轴149和反射镜148，所述线圈141通过线圈支架142固定于所述底座146的上表面，所述反射镜148通过强效胶水粘结于所述底座146的下表面，所述反射镜148的镜片厚度为1mm，所述反射镜148的镜面为矩形，所述镜面尺寸为10mm×10mm；所述底座146两侧边设置有转轴149，所述转轴149与所述线圈141所在平面相互垂直，所述反射镜148在所述线圈141通电状态下绕所述转轴149偏转。

所述底座146中部设置有线圈引线端144，所述线圈141的引线经过所述线圈支架142连接到所述线圈引线端144，再通过柔性连接线145与外部驱动电路相连，所述引线通电后用于驱动所述线圈141；所述线圈支架142上端设置有U型凹槽，所述线圈141通过强效胶水粘结于所述线圈支架142的U型凹槽中，所述线圈支架142中部设置有扇形孔143。

所述激光反馈模块130包括半导体激光器131、光探测器132和扇形孔143，所述半导体激光器131用于发射激光，所述光探测器132用于接收激光；所述半导体激光器131、光探测器132以及扇形孔143设置于同一条直线上，所述半导体激光器131与所述光探测器132同轴设置，所述半导体激光器131和所述光探测器132分别设置于所述扇形孔143的两侧；当所述半导体激光器131和所述光探测器132在竖直方向上同时沿着各自的中心轴线发生小幅度的移动时，由于所述半导体激光器131和所述光探测器132的偏转区域为扇形，所以扇形孔143的设置可以保证通过线圈支架142的光束和被遮挡的光束比值不变；所述半导体激光器131和所述光探测器132分别有部分结构嵌入两个所述磁铁固定板122中。

所述扫描反射镜还包括外壳111、轴承112、磁铁121和弹簧123，所述外壳111的两侧边上各设置有一个孔位，两个孔位关于所述外壳111的中心轴线对称，所述孔位用于安装轴承112，所述转轴149通过所述轴承112与所述外壳111连接。

所述外壳111的顶部设置有安装孔，磁铁固定板122上端通过螺丝固定于所述安装孔中；所述磁铁固定板122上设置有螺纹孔，所述磁铁121通过螺栓固定于所述磁铁固定板122中；所述磁铁121和所述磁铁固定板122各有两个，分别设置于所述线圈141的两侧，所述磁铁固定板122与所述底座146之间设置有弹簧123，所述底座146四周设置有螺纹孔147，所述弹簧123通过塑料无头螺丝固定，所述弹簧123有四个，所述弹簧123的弹力小，不易变形，所述弹簧123用于维持所述反射镜148的镜面初始状态处于平衡位置。高速轴承112和弹力较小的弹簧123保证了扫描反射镜的频率＞300Hz。激光反射模块140的工作原理如下：通过外部驱动电路给线圈141加载交流电，通电线圈141在磁场中产生的洛伦兹力会使底座146绕转轴149偏转，从而使附着在底座146上的反射镜148偏转。

激光反射模块140的工作原理如下：通过外部驱动电路给线圈141加载交流电，通电线圈141在磁场中产生的洛伦兹力会使底座146绕转轴149偏转，从而使附着在底座146上的反射镜148偏转。

激光反馈模块130的工作原理如下：在反射镜148偏转过程中，部分时间下半导体激光器131产生的激光光束可以通过线圈支架142上的扇形孔143从而被光探测器132接收到；其余时间下半导体激光器131产生的激光光束会被线圈支架142挡住从而不能被光探测器132接收到。将光探测器132接收到的信号经信号处理电路处理，从而实现反射镜148的幅度以及频率的反馈补偿。

本发明还公开了一种扫描反射镜的扫描方法，包括如下步骤：

S1. 3D激光雷达的红外激光器(151)产生激光光束(152)并照射在反射镜(148)上，所述反射镜(148)绕转轴(149)在纵向上偏转，同时在横向上旋转；

所述反射镜(148)绕转轴(149)在纵向上偏转具体包括如下步骤：

S101. 通过外部驱动电路给线圈(141)加载交流电，通电线圈(141)在磁场中产生的洛伦兹力使反射镜(148)发生偏转；

S102. 在反射镜(148)偏转过程中，半导体激光器(131)发射的激光一部分通过小孔(143)被光探测器(132)接收，另一部分被线圈支架(142)挡住未被光探测器(132)接收；

S103. 将光探测器(132)接收到的激光经信号处理电路进行处理，通过反射镜(148)的幅度以及频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

S2. 所述激光光束(152)经过反射镜(148)反射后，在周围空间内形成光斑点阵(153)；

S3. 3D激光雷达的探测器模块接收经过障碍物反射得到的红外激光信号，通过发射激光和接收激光的时间差来计算障碍物与扫描反射镜的距离。

请参阅图3-5。如图3所示，当不通电时，弹簧123可以使底座146维持在水平位置，竖直方向的偏角θ为0；如图4所示，从线圈引线端144引入电流i，电流i顺时针方向通过线圈141，在垂直向里的磁场中产生向左的洛伦兹力，因此线圈141连带线圈支架142会绕转轴149逆时针偏转，竖直方向的偏角θ为A(A的最大值为15度)；如图5所示，从线圈引线端144引入电流i，电流i逆时针方向通过线圈141，在垂直向里的磁场中产生向右的洛伦兹力，因此线圈141连带线圈支架142会绕转轴149顺时针偏转，竖直方向的偏角θ为-A。

本发明还公开了扫描反射镜在3D激光雷达中的应用。图6为本发明的3D激光雷达扫描示意图，如图6所示，红外激光器151产生的激光光束152照射在激光反射模块140的反射镜148镜面上，反射镜148绕转轴149在纵向上偏转，同时通过外部平台控制其在横向上旋转；所述激光光束152在经过反射镜148反射后，在周围空间内形成光斑点阵153。在3D激光雷达中还集成了探测器模块，其会接收经过环境障碍物反射得到的红外激光信号，通过发射激光和接收激光的时间差来计算障碍物与扫描反射镜的距离。

图7为本发明的一种扫描反射镜的反馈通路示意图。半导体激光器131产生的激光光束经过扇形孔143后被光探测器132接收，扇形孔143的夹角为d(d/2＜A)，光探测器132的信号引出端与反馈信号处理电路相连。若扫描反射镜处于正常工作状态，则光探测器接收到激光信号时，电路引出端电平为高电平；反之则为低电平。

图8为本发明的一种扫描反射镜的幅度反馈原理示意图，图9为本发明的一种扫描反射镜的电平-幅度反馈原理示意图。当扫描反射镜处于正常工作状态时，其反射角范围为-A～A。由于扇形孔143的夹角d小于2A，所以当反射镜148的扫描角度在-d/2～d/2之间时，光探测器132可以接收到经过线圈支架142上扇形孔143的激光信号，电路引出端电平V为高电平，持续时间为t1；当反射镜148的扫描角度在-d/2～-A或d/2～A时，激光光束会被线圈支架142所遮挡，光探测器132接收不到激光信号，电路引出端电平V为低电平，持续时间为t2。

在实际工作环境中，由于存在各种干扰，扫描反射镜的扫描幅度会发生变化，如图8-9所示，A〞＞A＞Aˊ＞d/2，当反射镜148的扫描幅度由A增大至A〞时，对应的高电平持续时间t1会减小至t1ˊ，同时低电平持续时间t2会增加至t2ˊ；当反射镜148的扫描幅度由A减小至Aˊ时，对应的高电平持续时间t1会增加至t1〞，同时低电平持续时间t2会减小至t2〞。可见电路引出端电平V的占空比会改变，通过算法补偿或积分电路可让该电平V保持在一个稳定的占空比t1/(t1+t2)，即可保持反射镜扫描幅度稳定。

图10为本发明的一种扫描反射镜的频率反馈原理示意图。如图所示，当扫描反射镜处于正常工作状态时，其正常反射角周期为T1，由于工作环境中会存在各种干扰，扫描反射镜的扫描频率会发生变化；当扫描频率减小时，其周期T1增大至T2。采用测量时间模块或者通过对单位时间内电路引出端电平V的高电平进行计数的方式来控制其周期维持在T1，则可以保持反射镜148的频率稳定。

实施例2

本发明公开了一种扫描反射镜，包括激光反射模块140和激光反馈模块130；所述激光反射模块140用于对红外激光进行反射；所述激光反馈模块130通过对扫描反射镜幅度和频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

所述激光反射模块140包括线圈141、底座146、转轴149和反射镜148，所述线圈141通过线圈支架142固定于所述底座146的上表面，所述反射镜148通过强效胶水粘结于所述底座146的下表面，所述反射镜148的镜片厚度为1mm，所述反射镜148的镜面为圆形，所述镜面直径为10mm；所述底座146两侧边设置有转轴149，所述转轴149与所述线圈141所在平面相互垂直，所述反射镜148在所述线圈141通电状态下绕所述转轴149偏转。

所述底座146中部设置有线圈引线端144，所述线圈141的引线经过所述线圈支架142连接到所述线圈引线端144，再通过柔性连接线145与外部驱动电路相连，所述引线通电后用于驱动所述线圈141；所述线圈支架142上端设置有U型凹槽，所述线圈141通过强效胶水粘结于所述线圈支架142的U型凹槽中，所述线圈支架142中部设置有扇形孔143。

所述激光反馈模块130包括半导体激光器131、光探测器132和扇形孔143，所述半导体激光器131用于发射激光，所述光探测器132用于接收激光；所述半导体激光器131、光探测器132以及扇形孔143设置于同一条直线上，所述半导体激光器131与所述光探测器132同轴设置，所述半导体激光器131和所述光探测器132分别设置于所述扇形孔143的两侧；当所述半导体激光器131和所述光探测器132在竖直方向上同时沿着各自的中心轴线发生小幅度的移动时，由于所述半导体激光器131和所述光探测器132的偏转区域为扇形，所以扇形孔143的设置可以保证通过线圈支架142的光束和被遮挡的光束比值不变；所述半导体激光器131和所述光探测器132分别有部分结构嵌入两个所述磁铁固定板122中。

所述扫描反射镜还包括外壳111、轴承112、磁铁121和弹簧123，所述外壳111的两侧边上各设置有一个孔位，两个孔位关于所述外壳111的中心轴线对称，所述孔位用于安装轴承112，所述转轴149通过所述轴承112与所述外壳111连接。

所述外壳111的顶部设置有安装孔，磁铁固定板122上端通过螺丝固定于所述安装孔中；所述磁铁固定板122上设置有螺纹孔，所述磁铁121通过螺栓固定于所述磁铁固定板122中；所述磁铁121和所述磁铁固定板122各有两个，分别设置于所述线圈141的两侧，所述磁铁固定板122与所述底座146之间设置有弹簧123，所述底座146四周设置有螺纹孔147，所述弹簧123通过塑料无头螺丝固定，所述弹簧123有四个，所述弹簧123的弹力小，不易变形，所述弹簧123用于维持所述反射镜148的镜面初始状态处于平衡位置。高速轴承112和弹力较小的弹簧123保证了扫描反射镜的频率＞300Hz。激光反射模块140的工作原理如下：通过外部驱动电路给线圈141加载交流电，通电线圈141在磁场中产生的洛伦兹力会使底座146绕转轴149偏转，从而使附着在底座146上的反射镜148偏转。

激光反射模块140的工作原理如下：通过外部驱动电路给线圈141加载交流电，通电线圈141在磁场中产生的洛伦兹力会使底座146绕转轴149偏转，从而使附着在底座146上的反射镜148偏转。

激光反馈模块130的工作原理如下：在反射镜148偏转过程中，部分时间下半导体激光器131产生的激光光束可以通过线圈支架142上的扇形孔143从而被光探测器132接收到；其余时间下半导体激光器131产生的激光光束会被线圈支架142挡住从而不能被光探测器132接收到。将光探测器132接收到的信号经信号处理电路处理，从而实现反射镜148的幅度以及频率的反馈补偿。

本发明还公开了一种扫描反射镜的扫描方法，包括如下步骤：

S1. 3D激光雷达的红外激光器(151)产生激光光束(152)并照射在反射镜(148)上，所述反射镜(148)绕转轴(149)在纵向上偏转，同时在横向上旋转；

所述反射镜(148)绕转轴(149)在纵向上偏转具体包括如下步骤：

S101. 通过外部驱动电路给线圈(141)加载交流电，通电线圈(141)在磁场中产生的洛伦兹力使反射镜(148)发生偏转；

S102. 在反射镜(148)偏转过程中，半导体激光器(131)发射的激光一部分通过小孔(143)被光探测器(132)接收，另一部分被线圈支架(142)挡住未被光探测器(132)接收；

S103. 将光探测器(132)接收到的激光经信号处理电路进行处理，通过反射镜(148)的幅度以及频率的反馈补偿，实现扫描反射镜在固定扫描幅度和固定频率下工作。

S2. 所述激光光束(152)经过反射镜(148)反射后，在周围空间内形成光斑点阵(153)；

S3. 3D激光雷达的探测器模块接收经过障碍物反射得到的红外激光信号，通过发射激光和接收激光的时间差来计算障碍物与扫描反射镜的距离。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的扫描反射镜的扫描角度大，可以满足正负15°的光学扫描；

(2)本发明的扫描反射镜的扫描频率＞300Hz；

(3)本发明的扫描反射镜的镜面尺寸≥10mm×10mm；

(4)本发明的扫描反射镜可保持在固定扫描幅度下工作；

(5)本发明的扫描反射镜可保持在固定频率下工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。