[發明專利]基于MEMS微鏡的全景光學系統、全景掃描系統及成像系統

有效

• 申請號: 202110333307.3
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113031003B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 李青巖;張雨;閆詩雨;張斌;楊國輝;王春暉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894;G01S7/481;G01S7/4865
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

基于MEMS微鏡的全景光學系統、全景掃描系統及成像系統，屬于光學成像技術領域。為了解決現有的掃描型激光雷達中MEMS微鏡的掃描角度小問題。基于MEMS微鏡的全景光學系統，包括一個圓柱體狀的折反式全景棱鏡，圓柱體中心設置有通孔，且圓柱體內設有圓錐形空間，圓錐形空間的高度小于圓柱體的高度，圓錐形空間與通孔相連通，圓錐形空間與圓柱體軸線重合，且圓錐形空間的最大擴口面為圓柱體未設有圓錐形空間時的一個端面；圓錐形空間沿軸線的切面的底角為36.5°。基于MEMS微鏡的全景光學系統還包括一個斜圓臺形補償棱鏡；斜圓臺形補償棱鏡呈斜圓臺形狀，其三個側面為平面，一個側面為曲面。主要用于掃描型激光雷達中MEMS微鏡的掃描和成像。

技術領域

本發明涉及全景光學系統、全景掃描系統及成像系統，屬于光學成像技術領域。

背景技術

隨著人工智能，光通信技術、自動化技術等技術的推動下，自動駕駛和更多的無人運輸設備正逐漸變成現實，因此迫切需要能夠對周圍環境具有良好感知能力的環境感知系統，從而使得無人駕駛設備能夠進行準確決策，激光雷達3D視覺系統是目前解決高精度感知三維環境信息最有效的手段之一，一直作為國際上的前沿課題，受到廣泛的關注。

目前環境感知類型的激光雷達主要技術路線可分為兩大類：機械旋轉式激光雷達和固態式激光雷達。機械旋轉式激光雷達是通過采用機械旋轉部件來實現光束的掃描，這種技術發展的最早，技術也相對最為成熟，但是其缺點是裝配困難、且掃描頻率低、價格高。固態式激光雷達主要方法有微機電(micro-electro-mechanical system，MEMS)混合固態激光雷達、面陣閃光式(Flash)激光雷達和光學相控陣(optical phased array，OPA)激光雷達。Flash技術現在雖已有部分商用，但是該路線的主要缺陷是當大能量的激光以閃爍式的方式一次性照亮整個目標場景時，只有很少一部分反射光能夠被探測器所接收，這樣就會使大量的激光能量被浪費了，回波信號的信噪比低，探測距離受限，這也是制約該技術大規模應用的關鍵因素；OPA掃描技術是一種完全固態化的雷達技術。但是，該技術本質上是基于光學的衍射效應，有效的光學透過率、旁瓣效應等問題是該技術進一步發展急需解決的關鍵問題，到目前為止，國際上有關OPA技術的研究，其最大檢測距離還是比較低的，且技術還不是很成熟，很多關鍵問題還沒有很好的辦法進行解決。MEMS混合固態激光雷達的核心技術是通過MEMS微鏡代替傳統的一維機械轉動部件，這樣就可以達到一定的集成度，在一定程度上解決了固態化的問題。但其主要缺點是MEMS微鏡尺寸較小，因此掃描范圍受限。不過這一缺點可以通過配置相應的光學系統進行擴角來克服。因此MEMS激光雷達因其輕量化、掃描速度快、低成本的特點成為目前最有前途的技術路線之一，同時也是目前最可能大規模實際應用的技術方案。

在傳統的MEMS掃描激光雷達中，MEMS微鏡的機械掃描角度很小(15°以下)，即使加入了擴角系統，其掃描角度仍然比較小(一般小于60°)。然而目前自動駕駛和一些應用場景的需求對環境感知系統提出了更高的要求，那就是固態化和全景成像，也就意味著需要沒有笨重的機械轉動裝置，且體積能夠小型化以便可以集成在車體的內部，同時能夠實現水平方向360°全景掃描。

傳統的全景成像技術有魚眼透鏡，多個鏡頭進行拼接實現全景成像和折反射全景鏡頭，以上方法均用于基于CCD或CMOS的成像器件。魚眼鏡頭本質上是具有非常短的焦距的超廣角鏡頭，可以達到半球視場，因其前部像魚眼鏡頭一樣突出而得名。但是在獲得大視野的同時，會產生很大的圖像畸變，且整體系統龐大，結構復雜。無論是設計加工還是裝配后期圖像校正，難度都很大。多鏡頭拼接即使用多個鏡頭的圖像進行拼接，行成一張全景圖像，但是在圖像拼接過程中，相機不匹配，結構公差，圖像邊緣重疊以及不同相機的顏色參數不匹配將會導致成像的失真，且整體系統結構復雜，體積龐大，成本很高，一致性校正難度高。另外，傳統的折反射全景鏡頭一般由十幾片鏡頭進行組合，且無掃描部件，因此不適用于MEMS掃描型激光雷達。

發明內容

本發明是為了解決現有的掃描型激光雷達中MEMS微鏡的掃描角度小問題。