[发明专利]基于MEMS微镜的全景光学系统、全景扫描系统及成像系统

说明书

基于MEMS微镜的全景光学系统、全景扫描系统及成像系统，属于光学成像技术领域。为了解决现有的扫描型激光雷达中MEMS微镜的扫描角度小问题。基于MEMS微镜的全景光学系统，包括一个圆柱体状的折反式全景棱镜，圆柱体中心设置有通孔，且圆柱体内设有圆锥形空间，圆锥形空间的高度小于圆柱体的高度，圆锥形空间与通孔相连通，圆锥形空间与圆柱体轴线重合，且圆锥形空间的最大扩口面为圆柱体未设有圆锥形空间时的一个端面；圆锥形空间沿轴线的切面的底角为36.5°。基于MEMS微镜的全景光学系统还包括一个斜圆台形补偿棱镜；斜圆台形补偿棱镜呈斜圆台形状，其三个侧面为平面，一个侧面为曲面。主要用于扫描型激光雷达中MEMS微镜的扫描和成像。

技术领域

本发明涉及全景光学系统、全景扫描系统及成像系统，属于光学成像技术领域。

背景技术

随着人工智能，光通信技术、自动化技术等技术的推动下，自动驾驶和更多的无人运输设备正逐渐变成现实，因此迫切需要能够对周围环境具有良好感知能力的环境感知系统，从而使得无人驾驶设备能够进行准确决策，激光雷达3D视觉系统是目前解决高精度感知三维环境信息最有效的手段之一，一直作为国际上的前沿课题，受到广泛的关注。

目前环境感知类型的激光雷达主要技术路线可分为两大类：机械旋转式激光雷达和固态式激光雷达。机械旋转式激光雷达是通过采用机械旋转部件来实现光束的扫描，这种技术发展的最早，技术也相对最为成熟，但是其缺点是装配困难、且扫描频率低、价格高。固态式激光雷达主要方法有微机电(micro-electro-mechanical system，MEMS)混合固态激光雷达、面阵闪光式(Flash)激光雷达和光学相控阵(optical phased array，OPA)激光雷达。Flash技术现在虽已有部分商用，但是该路线的主要缺陷是当大能量的激光以闪烁式的方式一次性照亮整个目标场景时，只有很少一部分反射光能够被探测器所接收，这样就会使大量的激光能量被浪费了，回波信号的信噪比低，探测距离受限，这也是制约该技术大规模应用的关键因素；OPA扫描技术是一种完全固态化的雷达技术。但是，该技术本质上是基于光学的衍射效应，有效的光学透过率、旁瓣效应等问题是该技术进一步发展急需解决的关键问题，到目前为止，国际上有关OPA技术的研究，其最大检测距离还是比较低的，且技术还不是很成熟，很多关键问题还没有很好的办法进行解决。MEMS混合固态激光雷达的核心技术是通过MEMS微镜代替传统的一维机械转动部件，这样就可以达到一定的集成度，在一定程度上解决了固态化的问题。但其主要缺点是MEMS微镜尺寸较小，因此扫描范围受限。不过这一缺点可以通过配置相应的光学系统进行扩角来克服。因此MEMS激光雷达因其轻量化、扫描速度快、低成本的特点成为目前最有前途的技术路线之一，同时也是目前最可能大规模实际应用的技术方案。

在传统的MEMS扫描激光雷达中，MEMS微镜的机械扫描角度很小(15°以下)，即使加入了扩角系统，其扫描角度仍然比较小(一般小于60°)。然而目前自动驾驶和一些应用场景的需求对环境感知系统提出了更高的要求，那就是固态化和全景成像，也就意味着需要没有笨重的机械转动装置，且体积能够小型化以便可以集成在车体的内部，同时能够实现水平方向360°全景扫描。

传统的全景成像技术有鱼眼透镜，多个镜头进行拼接实现全景成像和折反射全景镜头，以上方法均用于基于CCD或CMOS的成像器件。鱼眼镜头本质上是具有非常短的焦距的超广角镜头，可以达到半球视场，因其前部像鱼眼镜头一样突出而得名。但是在获得大视野的同时，会产生很大的图像畸变，且整体系统庞大，结构复杂。无论是设计加工还是装配后期图像校正，难度都很大。多镜头拼接即使用多个镜头的图像进行拼接，行成一张全景图像，但是在图像拼接过程中，相机不匹配，结构公差，图像边缘重叠以及不同相机的颜色参数不匹配将会导致成像的失真，且整体系统结构复杂，体积庞大，成本很高，一致性校正难度高。另外，传统的折反射全景镜头一般由十几片镜头进行组合，且无扫描部件，因此不适用于MEMS扫描型激光雷达。

发明内容

本发明是为了解决现有的扫描型激光雷达中MEMS微镜的扫描角度小问题。