一种基于MEMS自动驾驶激光雷达光学系统

一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统
技术领域
1.本发明涉及自动驾驶激光雷达技术领域，具体为一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统。

背景技术：

2.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。
3.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，本发明中的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。

技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明解决的技术问题是：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。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：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。
8.作为本发明所述的基于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%。
9.作为本发明所述的基于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。
10.作为本发明所述的基于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。
11.作为本发明所述的基于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。
12.作为本发明所述的基于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
，从而获得过点d
12
的切平面，不断重复获取切平面的过程及光线与切平面交点的过程，即可得到第1条曲线b1；通过确定所述曲线b1来确定所述自由曲面上的第2条曲线b2的点，入射光线与过d
11
的切平面相交得到点d
21
，入射光线与过d
12
的切平面相交得到点d
22
，不断重复获取相交点的过程可以得到第2条曲线b2上的点，通过重复获取曲线的过程可计算出所述自由曲面反射面上所有采样点。
13.作为本发明所述的基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：包括，激光器出射的光束经过所述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分束器，所述光束通过所述分束器后投射光束经过深孔光阑入射到mems进行反射。
14.作为本发明所述的基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的一种优选方案，其中：所述分束器将光束分为两部分，一部分透射，一部分反射；所述分束器透射的比例范围是30%到70%。
15.作为本发明所述的基于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，经过漫反射后沿原路返回的光线，通过出射模块、mems和深孔光阑后，被分束器反射到所述自由曲面反射镜，所述分束器按45
°
放置，因此反射的光线为水平方向且发散角很小，可被看做平行光线，所述平行光线再由所述自由曲面反射镜反射到像点t，探测器放置在所述像点t；在所述平行光束上任取一个截面s，所述截面s与所述平行光束垂直，所述平行光束中每一条光线与截面s交点的x坐标和y坐标都可以确定，所述平行光束的光线与所述自由曲面反射镜的交点为，即自由曲面反射镜上的采样点。
16.作为本发明所述的基于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，自由曲面反射镜的采样点的x坐标和y坐标与所述截面s的对应交点的x坐标和y坐标相同，自由曲面反射镜h
11
是初始点，三个轴上的坐标是已知的；将截面s看成是光束的波前，波前上各点传播到自由曲面反射面，并经过反射会聚到像点t，根据等光程条件可以求出点的z坐标，同理可以求出曲线上任一点，进一步使用等光程条件可以求出整个自由曲面反射镜上所有采样点的z坐标，即获取所述自由曲面上所有采样点的坐标。
17.本发明的有益效果：本发明提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统，其中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；本发明很好地解决了现有技术的系统结构复杂，装调困难、重量较大的问题，对于以后车载系统轻量化的研究具有重要的意义。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的第一种方案的系统示意图；图2为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的mems沿水平方向扫描的角度图；图3为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的mems沿竖直方向扫描的角度图；图4为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面透镜轮廓图；图5为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的mems在不同位置反射光线对应的空间角位置图；图6为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的光束通过自由曲面透镜的扫描角度图；图7为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面透镜的截面轮廓图；图8为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的入射到自由曲面光线及经过自由曲面折射的光线图；图9为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面的多个曲线轮廓图；图10为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面透镜的构建图；图11为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自
由曲面反射镜的设计二维轮廓图；图12为本发明一个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面反射镜的设计三维轮廓图；图13为本发明第二个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的第二种方案的系统示意图；图14为本发明第二个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的自由曲面反射镜第一条曲线的设计过程图；图15为本发明第二个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的整个自由曲面反射镜上所有采样点的计算过程图；图16为本发明第三个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统中光学仿真软件制作的仿真图；图17为本发明第三个实施例提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统出射模块出射的光束配光曲线图。
具体实施方式
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
20.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
21.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
22.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
23.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例1参照图1~12为本发明的一个实施例，提供了一种基于mems自动驾驶激光雷达光学
系统的一种方案，包括：s1：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。需要说明的是：系统结构示意图如图1所示，激光器包括半导体激光器或光纤激光器，半导体激光器可以是 vcsel（垂直腔面发射激光器）或eel（边缘发射激光器）；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；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，并且深孔光阑的深度与口径之比大于5；应说明的，激光器的发光面有一定的尺寸，准直模块准直后的光束仍然有一定的发散角，在准直模块远离激光器的一侧放置一个深孔光阑是为了进一步的减小光束发散角。
26.s2：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。需要说明的：激光器出射的光束经过深孔光阑后光束口径比较小，因此可以取光束中心的光线作为采样光线，代替整个光束；进一步的，mems转动到不同的位置光束经过mems反射的方向也不同，如图5所示反射后的采样光线都对应一个空间角位置，这三个角的余弦平方和为1，当确定了,就可以获得，随着mems的二维扫描，经过mems反射的光束如图2所示沿着水平方向的扫描范围是-10到10度，如图3所示沿着竖直方向的扫描范围也是-10到10度；应说明的，在mems扫描的过程中，经过mems反射的任意光线在xoz平面内的投影与z轴夹角的变化范围是-10到10度如图2所示，yoz平面内的投影与z轴夹角的变化范围是-10到10度如图3所示；再进一步的，经过mems反射的光束进入发射模块后，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，一般取2~4个；应说明的，发射模块包括多个柱状自由曲面透镜，如图4所示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，如图6所示入射到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，方便后续计算；如图7所示，从mems反射出来的光线，入射到自由曲面透镜的平面，mems每转到一个位置经过mems反射后光线的角位置都不一样，也就是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，这些入射光线在空间的角度都是跟mems的位置决定，也就是这些入射光线在空间的角度都可以获取；入射光线经过平面折射后的折射光线为，通过折射定律就可以获取这些折射光线在空间中对应的角度，经过自由曲面得到出射光线为，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，如光线对应的空间角；更进一步的，如图8所示，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；应说明的，如图9所示，通过确定曲线c1来确定自由曲面上的第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自由曲面上所有采样点，当获取自由曲面上所有采样点后即可构建自由曲面透镜如图10所示，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。
27.s3：通过目标物体漫反射的光束中特定方向的光束经过自由曲面反射镜反射到探测器。需要说明的是：将发射模块中最后一个自由曲面透镜出射的采样光线入射到目标面，在目标面上发生了漫反射，也就是在目标面反射出来的光线各个方向都有，选取特定方向的光线经过自由曲面射镜反射后成像在像点t，如图12所示，探测器放置在像点的位置，接收自由曲面反射镜反射过来的光线，在目标面上漫反射出来的光线只有特定方向的光线能够经过自由曲面反射镜反射进入探测器，其它方向的光线无法进入；应说明的，自由曲面反射镜表面镀有高反膜且反射率大于95%，实际上自由曲面反射镜并不是放在出射模块的光路上，而是与出射模块有一定的错位，如图11所示，这个错位大概有2-5cm；进一步的，确定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
，从而获得过点d
12
的切平面，不断重复获取切平面的过程及光线与切平面交点的过程，即可得到第1条曲线b1；通过确定曲线b1来确定自由曲面上的第2条曲线b2的点，入射光线与过d
11
的
切平面相交得到点d
21
，入射光线与过d
12
的切平面相交得到点d
22
，不断重复获取相交点的过程可以得到第2条曲线b2上的点，通过重复获取曲线的过程可计算出自由曲面反射面上所有采样点。
28.应说明的，本发明提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统，其中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。
29.实施例2参照图13~15为本发明的一个实施例，提供了一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的第二种方案，包括：s1：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分束器，光束通过分束器后投射光束经过深孔光阑入射到mems进行反射。需要说明的是：系统结构示意图如图2所示，激光器包括半导体激光器或光纤激光器，半导体激光器可以是 vcsel（垂直腔面发射激光器）或eel（边缘发射激光器）；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；分束器将光束分为两部分，一部分反射，一部分透射，透射的比例范围是30%到70%；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，并且深孔光阑的深度与口径之比大于5；应说明的，激光器的发光面有一定的尺寸，准直模块准直后的光束仍然有一定的发散角，在准直模块远离激光器的一侧放置一个深孔光阑是为了进一步的减小光束发散角。
30.s2：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。需要说明的：激光器出射的光束经过深孔光阑后光束口径比较小，因此可以取光束中心的光线作为采样光线，代替整个光束；进一步的，mems转动到不同的位置光束经过mems反射的方向也不同，如图5所示反射后的采样光线都对应一个空间角位置，随着mems的二维扫描，经过mems反射的光束如图2所示沿着水平方向的扫描范围是-10到10度，如图3所示沿着竖直方向的扫描范围也是-10到10度；再进一步的，经过mems反射的光束进入发射模块后，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，一般取2~4个；应说明的，发射模块包括多个柱状自由曲面透镜，如图4所示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，如图6所示入射到发射模块的
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，方便后续计算；如图7所示，从mems反射出来的光线，入射到自由曲面透镜的平面，mems每转到一个位置经过mems反射后光线的角位置都不一样，也就是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，这些入射光线在空间的角度都是跟mems的位置决定，也就是这些入射光线在空间的角度都可以获取；入射光线经过平面折射后的折射光线为，通过折射定律就可以获取这些折射光线在空间中对应的角度，经过自由曲面得到出射光线为，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，如光线对应的空间角；更进一步的，如图8所示，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；应说明的，如图9所示，通过确定曲线c1来确定自由曲面上的第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自由曲面上所有采样点，当获取自由曲面上所有采样点后即可构建自由曲面透镜如图10所示，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。
31.s3：经过出射模块入射到目标物体的光线在目标面上发生漫反射，漫反射的光束中沿特定方向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目标物体的位置。需要说明的是：如图13所示，经过漫反射后的光束中沿着特定方向的光束可以沿着原路返回，这里的原路是指与出射光线的路径相同的一段，沿着原路返回的光束通过深孔光阑被分束器反射到自由曲面反射镜，分束器按45
°
放置，因此反射的光线为水平方向且发散角很小，可被看作平行光线，如图14所示平行光线再由自由曲面反射镜反射到像点t，探测器放置在像点处；如图14所示，在平行光束上任取一个截面s，截面s与平行光束垂直，平行光束中每一条光线与截面s交点 x坐标和y坐标都可以确定，平行光束的光线与自由曲面反射镜的交
点为，即自由曲面反射镜上的采样点；进一步的，自由曲面反射镜的采样点的x坐标和y坐标与截面s的对应交点的x坐标和y坐标相同，自由曲面反射镜h
11
是初始点，三个轴上的坐标是已知的，将截面s看成是光束的波前，波前上各点传播到自由曲面反射面，并经过反射会聚到像点t，根据等光程条件可以求出点的z坐标，同理可以求出曲线上任一点，进一步使用等光程条件可以求出整个自由曲面反射镜上所有采样点的z坐标，即获取自由曲面上所有采样点的坐标。
32.应说明的，本发明提供的一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统，其中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；本发明很好地解决了现有技术的系统结构复杂，装调困难、重量较大的问题，对于以后车载系统轻量化的研究具有重要的意义。
33.实施例3参照图16~17为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于mems自动驾驶激光雷达光学系统的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
34.为了验证本发明中的方案可行性，用光学仿真软件设计了一个案例，设计指标是扫描角度可以达到40度（半角），如图16所示，用光学软件模拟了发射光路和接收光路，实际目标通常是在50-200米左右，目标面通常是按漫反射来处理，所以反射光在各个方向都有。
35.如果目标面放置在200米远，在软件中光学元件显示特别小，几乎都看不到了，所以我们就近设置了目标反射面，该反射面设置为漫反射面；目标面的远近不会影响仿真效果，这是因为反射回来的光线能否进入探测器，跟反射光线的角度有关系，目标面是漫反射，可以在各个角度都有反射回来的光，因此总有进入探测器的部分，所以目标面设置远近不会影响模拟效果。
36.图17为从出射模块出射的光束的配光曲线图，从图17上可以看到出射的角度可以达到40度，达到了预定的设计目标，这是非常关键的一个指标。此外，出射光束发散角(表征光束中各光线之间的平行程度)比较小了，通过前面设置准直透镜和深孔光阑，出射光束最小发散角度可以达到0.1度，入射到模拟的目标面，目标面是漫反射，沿着图中所示方向的反射光线可以最终入射到探测器上。
37.仿真结果表明了本方案确实可行，验证了本发明解决了现有技术的系统结构复杂，装调困难、重量较大的问题，对于以后车载系统轻量化的研究具有重要的意义。
38.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

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。6.如权利要求5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后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
，从而获得过点d
12
的切平面，不断重复获取切平面的过程及光线与切平面交点的过程，即可得到第1条曲线b1；通过确定所述曲线b1来确定所述自由曲面上的第2条曲线b2的点，入射光线与过d
11
的切平面相交得到点d
21
，入射光线与过d
12
的切平面相交得到点d
22
，不断重复获取相交点的过程可以得到第2条曲线b2上的点，通过重复获取曲线的过程可计算出所述自由曲面反射面上所有采样点。7.如权利要求5所述的基于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所述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分束器，所述光束通过所述分束器后投射光束经过深孔光阑入射到mems进行反射。8.如权利要求7所述的基于mems自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：所述分束器
将光束分为两部分，一部分透射，一部分反射；所述分束器透射的比例范围是30%到70%。9.如权利要求8所述的基于mems自动驾驶激光雷达光学系统，其特征在于：所述自由曲面反射镜的设计包括，经过漫反射后沿原路返回的光线，通过出射模块、mems和深孔光阑后，被分束器反射到所述自由曲面反射镜，所述分束器按45
°
放置，因此反射的光线为水平方向且发散角很小，可被看做平行光线，所述平行光线再由所述自由曲面反射镜反射到像点t，探测器放置在所述像点t；在所述平行光束上任取一个截面s，所述截面s与所述平行光束垂直，所述平行光束中每一条光线与截面s交点的x坐标和y坐标都可以确定，所述平行光束的光线与所述自由曲面反射镜的交点为，即自由曲面反射镜上的采样点。10.如权利要求9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，自由曲面反射镜的采样点的x坐标和y坐标与所述截面s的对应交点的x坐标和y坐标相同，自由曲面反射镜h
11
是初始点，三个轴上的坐标是已知的；将截面s看成是光束的波前，波前上各点传播到自由曲面反射面，并经过反射会聚到像点t，根据等光程条件可以求出点的z坐标，同理可以求出曲线上任一点，进一步使用等光程条件可以求出整个自由曲面反射镜上所有采样点的z坐标，即获取所述自由曲面上所有采样点的坐标。

技术总结

本发明公开了一种基于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。