扫描振镜的制作方法

本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种扫描振镜。

背景技术：

激光雷达作为一种常用的测距传感器，由于具有分辨率高、受环境因素干扰小等优点，在无人驾驶系统中有着重要的应用，一般是用于视场扫描。但是无人驾驶系统需要激光雷达具有高成像帧频、高分辨率、远测距能力、小体积、高可靠性，而传统的激光雷达系统很难满足这样的性能要求。

谐振式扫描镜，作为目前较成熟的一种视场扫描方式，是通过微线圈中电流所产生的电磁场驱动扫描镜绕水平轴或垂直轴中的一个轴进行高频谐振，同时扫描镜绕另一个轴进行低频受迫振动，因此使得投射到镜面并经镜面反射的激光实现高频率的视场扫描。

然而，谐振式扫描镜中，一个轴是受迫振动，因此不能控制该轴的扫描频率与扫描角度，进而无法实现视场扫描的精准控制。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现视场扫描的精准控制的扫描振镜。

一种扫描振镜，包括：锚定结构和悬挂结构；所述悬挂结构包括差动电容驱动器、连杆传动组件和扫描镜组件；所述差动电容驱动器固定在所述锚定结构上，包括：X轴驱动器、Y轴驱动器和驱动电路；所述连杆传动组件包括：X轴连杆机构和Y轴连杆机构；所述X轴连杆机构分别与所述X轴驱动器和所述扫描镜组件转动连接；所述Y轴连杆机构分别与所述Y轴驱动器和所述扫描镜组件转动连接；

所述X轴驱动器用于在所述驱动电路输出的第一驱动电压产生的静电力下驱动所述X轴连杆机构摆动，进而带动所述扫描镜组件绕Y轴摆动；所述Y轴驱动器用于在所述驱动电路输出的第二驱动电压产生的静电力下驱动所述Y轴连杆机构摆动，进而带动所述扫描镜组件绕X轴摆动；其中，所述扫描镜组件绕Y轴摆动的角度与频率和所述第一驱动电压对应，绕X轴摆动的角度与频率和所述第二驱动电压对应。

在其中一个实施例中，所述X轴驱动器包括第一X轴驱动器和第二X轴驱动器，所述X轴连杆机构包括第一X轴连杆机构和第二X轴连杆机构；其中，所述第一X轴驱动器和所述第一X轴连杆机构组成的第一X轴驱动结构、所述第二X轴驱动器和所述第二X轴连杆机构组成的第二X轴驱动结构，分别沿X轴布置于所述扫描镜组件两侧。

在其中一个实施例中，所述Y轴驱动器包括第一Y轴驱动器和第二Y轴驱动器，所述Y轴连杆机构包括第一Y轴连杆机构和第二Y轴连杆机构；其中，所述第一Y轴驱动器和所述第一Y轴连杆机构组成的第一Y轴驱动结构、所述第二Y轴驱动器和所述第二Y轴连杆机构组成的第二Y轴驱动结构，分别沿Y轴布置于所述扫描镜组件两侧。

在其中一个实施例中，所述第一X轴驱动结构、第二X轴驱动结构，分别沿X轴对称布置于所述扫描镜组件两侧；所述第一Y轴驱动结构、第二Y轴驱动结构，分别沿Y轴对称布置于所述扫描镜组件两侧。

在其中一个实施例中，各连杆机构均为弹性连杆。

在其中一个实施例中，所述弹性连杆为“几”字型连杆。

在其中一个实施例中，所述第一X轴连杆机构和第二X轴连杆机构的“几”字型连杆的凸出方向相反，所述第一Y轴连杆机构和第二Y轴连杆机构的“几”字型连杆的凸出方向相反。

在其中一个实施例中，所述第一X轴驱动器和第二X轴驱动器分别对应的第一驱动电压的振幅相同，相位相反；所述第一Y轴驱动器和第二Y轴驱动器分别对应的第二驱动电压的振幅相同，相位相反。

在其中一个实施例中，所述差动电容驱动器包括梳齿结构组成的环形差动电容。

在其中一个实施例中，所述驱动电路包括依次连接的处理器、数模转换器、滤波器和放大器，所述驱动电路还包括用于向所述放大器供电的电源，其中，

所述处理器用于根据预设摆动角度输出控制各驱动器的数字电压信号；

所述数模转换器用于将所述数字电压信号转换为控制各驱动器的模拟电压信号；

所述滤波器用于根据噪声截止频率滤除所述模拟信号中的高频噪声；

所述放大器用于根据所述模拟信号和预设放大倍数输出控制各驱动器的驱动电压。

上述扫描振镜中，X轴驱动器可以在驱动电路输出的第一驱动电压产生的静电力下驱动X轴连杆机构摆动，进而带动扫描镜组件绕Y轴摆动；同样地，Y轴驱动器用于在驱动电路输出的第二驱动电压产生的静电力下驱动Y轴连杆机构摆动，进而带动扫描镜组件绕X轴摆动；而且，扫描镜组件绕Y轴摆动的角度与频率和第一驱动电压对应，绕X轴摆动的角度与频率和第二驱动电压对应，因此本实施例的扫描振镜可以独立地精准控制扫描镜组件绕X轴摆动的扫描频率和扫描角度，同时可以独立地精准控制扫描镜组件绕Y轴摆动的扫描频率和扫描角度，进而实现视场扫描的精准控制，还可以使得扫面镜组件保持在固定的角度，便于实现定点扫描以及便于扫描振镜的调试工作。

附图说明

图1为一个实施例中扫描振镜的应用环境图；

图2a为一个实施例中扫描振镜的结构示意图；

图2b为一个实施例中扫描振镜的驱动电路的结构框图；

图3a为另一个实施例中扫描振镜的结构示意图；

图3b为另一个实施例中扫描振镜的结构示意图；

图3c为另一个实施例中扫描振镜的结构示意图；

图4为再一个实施例中扫描振镜的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的扫描振镜作为MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)器件，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，激光器11可以发射出脉冲激光信号投射在振镜12上，由振镜12反射出去，并由激光接收器(未示出)接收经过物体反射的激光回波信号；示例性地，可以通过激光信号发出时间和激光回波信号接收时间得到激光信号飞行时间，从而得到上述物体至振镜所在位置的距离，实现测距。此外，振镜12可以围绕X轴和Y轴进行二维摆动，从而改变激光信号在二维上的发射角度，即扫描角度，实现大面积上的扫描，得到扫描范围内的距离图像；振镜12可以X轴或Y轴中的一个轴进行高速摆动，而相对另一轴进行相对地低速摆动，可以实现如图1所述的光栅扫描，得到更精细化的距离图像。本实施例所示的扫描振镜可以作为激光雷达的一部分，用于自动驾驶等测距场景中。

在一个实施例中，如图2a所示，提供了一种扫描振镜，可以包括：锚定结构20和悬挂结构。悬挂结构可以包括差动电容驱动器21(未标示)、连杆传动组件22(未标示)和扫描镜组件23；差动电容驱动器21可以固定在锚定结构20上，差动电容驱动器可以包括：X轴驱动器211、Y轴驱动器212和驱动电路213(未示出)。所述连杆传动组件22可以包括：X轴连杆机构221和Y轴连杆机构222；所述X轴连杆机构221分别与所述X轴驱动器211和所述扫描镜组件23转动连接；所述Y轴连杆机构222分别与所述Y轴驱动器212和所述扫描镜组件23转动连接。

在本实施例中，扫描镜组件可以包括活动基座和振镜，其中，振镜固定在活动基座上；活动基座与X轴连杆机构转动连接，同时与Y轴连杆机构转动连接。可选地，上述活动基座为万向节。

在本实施例中，锚定结构可以是扫描振镜的基板、底座等，用于固定和承载悬挂结构。而固定在锚定结构上的差动电容驱动器可以包括由内外同轴的环形极板组成的差动电容结构：内环形极板可以包括第一内极板和第二内极板，均固定在锚定结构上；外环形极板为活动极板，可以绕上述轴进行旋转；当在第一内极板和第二内极板上施加驱动电压时，第一内极板、第二内极板分别和外环形极板之间分别产生库仑力(静电力)，当库仑力不平衡时，内环形极板和外环形极板间的库仑力会驱动外环形极板旋转，以改变第一内极板、第二内极板分别和外环形极板之间的电容，进而改变库仑力大小实现平衡。因此，在第一内极板和第二内极板上分别施加的两个驱动电压之间的差动电压，与外环形极板的摆动角度存在一一对应关系(如果不考虑边缘效应，差动电压与角位移之间为线性关系)，且差动电压的频率与外环形极板的摆动频率相同。总之，差动电容驱动器输出的摆动角度和摆动频率，与驱动电路施加在差动电容驱动器上的驱动电压对应。

可选地，差动电容驱动器包括梳齿结构组成的环形差动电容。也就是说，上述第一内极板和第二内极板可以分别为固定梳齿，上述外环形极板可以为活动梳齿；当在两个固定梳齿上施加电压时，活动梳齿在静电力的作用下产生角度摆动，且该摆动角度与外部驱动电压的幅值在预设的频率范围内存在近似线性关系，摆动频率与外部驱动电压的频率相同。采用梳齿结构，本实施例的扫描振镜可以在相同驱动电压的基础上实现更大的静电力输出，实现更大的摆动角度，获得更大的扫描范围，在扫描角度一定的情况下可以降低扫描振镜对电压大小的需求。

具体地，参照图2b所示，驱动电路213可以包括依次连接的处理器2131、数模转换器2132、滤波器2133和放大器2134，此外，驱动电路213还可以包括用于向放大器供电的电源2135，其中，处理器用于根据预设摆动角度输出控制各驱动器的数字电压信号；数模转换器用于将数字电压信号转换为控制各驱动器的模拟电压信号；滤波器用于根据噪声截止频率滤除所述模拟信号中的高频噪声；放大器用于根据模拟信号和预设放大倍数输出控制各驱动器的驱动电压。其中，处理器可以为CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等具有数字信号处理能力的器件；处理器可以获取当前时间对应的预设摆动角度，例如处理器可以从关联的存储器中获取，也可以接收输入的预设摆动角度；并根据预设的摆动角度与模拟电压信号的对应关系，获得模拟电压信号。需要说明的是，一般情况下，为了获得足够的静电力驱动各驱动器旋转，上述电源可以为高压电源，上述放大器为高压放大器，高压放大器可以根据模拟信号和预设放大倍数输出控制各驱动器的驱动电压。

参照图2a所示，X轴连杆机构221与X轴驱动器211转动连接，并与扫描镜组件23转动连接，该转动连接可以包括但不限于铰接、销轴连接等转动连接方式；X轴驱动器的旋转轴平行于Y轴，且X轴连杆机构的转动轴平行于Y轴，因此当X轴驱动器旋转与驱动电压对应的角度时，由于X轴连杆机构的联动作用，X轴连杆机构被X轴驱动器带动摆动，并驱动扫描镜组件绕Y轴摆动。同样地，Y轴驱动器的旋转轴平行于X轴，且Y轴连杆机构的转动轴平行于X轴，因此当Y轴驱动器旋转与驱动电压对应的角度时，由于Y轴连杆机构的联动作用，Y轴连杆机构被Y轴驱动器带动摆动，并驱动扫描镜组件绕X轴摆动。其中，X轴驱动器通过X轴连杆机构控制扫描镜组件绕Y轴摆动，与Y轴驱动器通过Y轴连杆机构控制扫描镜组件绕X轴摆动，两个控制过程是独立的。

如图2a所示的扫描振镜中，X轴驱动器和X轴连杆机构仅布置于单侧，Y轴驱动器和Y轴连杆机构同样仅布置于单侧；在一种实施方式中，扫描镜组件可以将扫描镜组件的基座的中心点与锚定结构活球连接，以保证在单侧布置时对扫描镜组件的有效控制；在一种实施方式中，参照图3a所示，X轴驱动器和X轴连杆机构可以沿X轴布置于扫描镜组件两侧，Y轴驱动器和Y轴连杆机构同样可以沿Y轴布置于扫描镜组件两侧；在另一种实施方式中，在图3a所示的扫描振镜的基础上，沿X轴仅需在扫描镜组件一侧布置有X轴驱动器，另一侧不需要X轴驱动器，X轴连杆机构直接和锚定结构转动连接即可，相应地，沿Y轴仅需在扫描镜组件一侧布置有Y轴驱动器，另一侧不需要Y轴驱动器，Y轴连杆机构直接和锚定结构转动连接即可。

总之，在本实施例中，X轴驱动器可以在驱动电路输出的第一驱动电压产生的静电力下驱动X轴连杆机构摆动，进而带动扫描镜组件绕Y轴摆动；同样地，Y轴驱动器用于在驱动电路输出的第二驱动电压产生的静电力下驱动Y轴连杆机构摆动，进而带动扫描镜组件绕X轴摆动；而且，扫描镜组件绕Y轴摆动的角度与频率和第一驱动电压对应，绕X轴摆动的角度与频率和第二驱动电压对应，因此本实施例的扫描振镜可以独立地精准控制扫描镜组件绕X轴摆动的扫描频率和扫描角度，同时可以独立地精准控制扫描镜组件绕Y轴摆动的扫描频率和扫描角度，进而实现视场扫描的精准控制，还可以使得扫面镜组件保持在固定的角度，便于实现定点扫描以及便于扫描振镜的调试工作。

在一个实施例中，如图3a所示，在上述图2a所示的扫描振镜的基础上，沿X轴在扫描镜组件两侧均可以布置由X轴驱动器和X轴连杆机构组成的X轴驱动结构，具体地，X轴驱动器211可以包括第一X轴驱动器211a和第二X轴驱动器211b，所述X轴连杆机构221包括第一X轴连杆机构221a和第二X轴连杆机构221b；其中，第一X轴驱动器211a和第一X轴连杆机构221a组成的第一X轴驱动结构，第二X轴驱动器211b和第二X轴连杆机构221b组成的第二X轴驱动结构，分别沿X轴布置于扫描镜组件23两侧。

也就是说，第一X轴驱动器211a和第一X轴连杆机构221a组成的第一X轴驱动结构，第二X轴驱动器211b和第二X轴连杆机构221b组成的第二X轴驱动结构共同控制和支撑扫描镜组件绕Y轴的摆动。相应地，在第一X轴驱动器211a和第二X轴驱动器211b分别施加的第一驱动电压的相位相反，但振幅存在一定关系，与第一X轴驱动结构、第二X轴驱动结构的空间关系相关，例如当第一X轴连杆机构的长度大于第二X轴连杆机构时，第一X轴连杆机构的摆动角度相应地小于第二X轴连杆机构的摆动角度，相应地，施加在第一X轴驱动器的驱动电压的振幅相应地小于施加在第二X轴驱动器的驱动电压的振幅。

因此，在本实施例中，通过沿X轴布置于扫描镜组件两侧的第一X轴驱动结构和第二X轴驱动结构，可以实现对扫描镜组件绕Y轴摆动的扫描频率和扫描角度实现双向协同控制，可以提高控制的稳定性和准确性。

可选地，第一X轴驱动结构和第二X轴驱动结构沿X轴在扫描镜组件两侧对称布置；此时，第一X轴驱动器和第二X轴驱动器分别对应的第一驱动电压的振幅相同，相位相反。如此，第一X轴驱动器的摆动角度和第二X轴驱动器的摆动角度将会相差180°，相应地，会带动扫描镜组件绕Y轴旋转一定的角度。参照图3b所示，以逆时针旋转为正方向，以X轴向右为0°方向(以下描述中也以此为准)，如此，某一时刻第一X轴驱动器211a带动第一X轴连杆机构221a摆动到0°，第二X轴驱动器211b带动第二X轴连杆机构221b摆动到180°，此时扫描镜组件的镜面与X轴平行，与X轴为0°夹角；在下一时刻，如图中虚线所示，第一X轴驱动器211a带动第一X轴连杆机构221a顺时针摆动到-10°，第二X轴驱动器211b带动第二X轴连杆机构221b顺时针旋转到170°，此时扫描镜组件的镜面与X轴形成20°夹角，即扫描镜组角的摆动角度为20°，且可以稳定在20°位置。

同样地，如图3a所示，Y轴驱动器包括第一Y轴驱动器和第二Y轴驱动器，Y轴连杆机构包括第一Y轴连杆机构和第二Y轴连杆机构；其中，第一Y轴驱动器和第一Y轴连杆机构组成的第一Y轴驱动结构，第二Y轴驱动器和第二Y轴连杆机构组成的第二Y轴驱动结构，分别沿Y轴布置于扫描镜组件两侧。第一Y轴驱动器212a和第一Y轴连杆机构222a组成的第一Y轴驱动结构，第二Y轴驱动器212b和第二Y轴连杆机构222b组成的第二Y轴驱动结构共同控制和支撑扫描镜组件绕X轴的摆动。可选地，第一X轴驱动结构和第二X轴驱动结构沿X轴在扫描镜组件两侧对称布置。

因此，在本实施例中，通过沿Y轴布置于扫描镜组件两侧的第一Y轴驱动结构和第二Y轴驱动结构，可以实现对扫描镜组件绕Y轴摆动的扫描频率和扫描角度实现双向协同控制，可以提高控制的稳定性和准确性。

同时，可以理解的是，当第一X轴驱动结构和第二X轴驱动结构沿X轴在扫描镜组件两侧对称布置时，第一X轴驱动器和第二X轴驱动器分别对应的第一驱动电压的振幅相同，相位相反；当第一Y轴驱动结构和第二Y轴驱动结构沿Y轴在扫描镜组件两侧对称布置时，第一Y轴驱动器和第二Y轴驱动器分别对应的第二驱动电压的振幅相同，相位相反。参照图3c所示，在本实施例中，示意性地，其中，A'和A分别为第一X轴驱动器和第二X轴驱动器对应的驱动电路的电压信号接口，电压信号分别为Y+和Y-这一组差分信号；B'和B分别为第一Y轴驱动器和第二Y轴驱动器对应的驱动电路的电压信号接口，电压信号分别为X+和X-这一组差分信号。此时，处理器对驱动电压的控制逻辑更简单，例如可以将一路电压信号分成两路差分信号分别控制两个X轴驱动器即可，提高了扫描频率和扫描角度的控制精度和控制稳定性。

可选地，各连杆机构均为弹性连杆，即上述第一X轴连杆机构、第二X轴连杆机构、第一Y轴连杆机构、第二Y轴连杆机构可以分别为弹性连杆，可以由单连杆组成。可以理解的是，参照图3b所示，连杆221a从实线位置摆动到虚线位置时，是会发生拉伸的，因此为弹性连杆。示例性地，当连杆221a在摆动角度-10°～+10°区间内进行较小角度摆动时，相应地，连杆221b会在摆动角度170°～190°，区间内进行较小角度摆动；相应地，扫描镜组件会绕X轴在-20°～+20°区间内进行较大角度的摆动。因此，在控制扫描镜组件摆动过程中，上述连杆的长度同样会发生变化，但伸缩幅度极小，而且，当连杆长度与扫描镜组件在X轴上的长度之比越大时，伸缩幅度同样减小，因此一般通过MEMS工艺制造的微连杆可以满足需求。因此，在本实施例中，弹性连杆可以满足从各驱动器到扫描镜组件的传动作用，同时可以起到缓冲的作用，提高传动过程的稳定性。

在一种实施方式中，参照图4所示，上述各弹性连杆可以为“几”字型连杆。其中，第一X轴连杆机构221a、第二X轴连杆机构221b的弹性连杆的“几”字型的突出方向与X轴垂直，第一Y轴连杆机构222a、第二Y轴连杆机构222b的弹性连杆的“几”字型的突出方向与Y轴垂直。因为“几”字型连杆排除材质的因素外，其“几”字型结构相当于增大了连杆的伸缩性，进一步提高缓冲作用以及传动稳定性。

此外，第一X轴连杆机构221a和第二X轴连杆机构221b的“几”字型连杆的凸出方向相反，所述第一Y轴连杆机构222a和第二Y轴连杆机构222b的“几”字型连杆的凸出方向相反。以第一X轴连杆机构、第二X轴连杆机构的弹性连杆为例，可以理解的是，当“几”字型连杆处于拉伸或压缩状态时，相应地，会导致“几”字型连杆的凸出部存在X轴方向上的形变，同时会产生“几”字型的突出方向上的形变，相应地，“几”字型连杆可能会向其所连接的驱动器和扫描镜组件施加“几”字型的突出方向(垂直X轴方向)上的力，可能会导致扫描镜组件不能准确绕Y轴的摆动。因此，在本实施例中，第一X轴连杆机构和第二X轴连杆机构的“几”字型连杆的凸出方向相反，第一Y轴连杆机构和第二Y轴连杆机构的“几”字型连杆的凸出方向相反，可以实现“几”字型的突出方向上的力的相互抵消，以避免扫描镜组件不能准确摆动，避免摆动变形。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。