[发明专利]用于改善非线性的带有扭转弹簧的扫描镜组件

说明书

本说明书的实施例提供了一种用于光学传感系统的扫描镜组件。扫描镜组件可以包括扫描镜，所述扫描镜被配置为围绕旋转轴旋转。扫描镜组件还可以包括多个扭转弹簧，沿着旋转轴连接到扫描镜的至少一侧。在某些方面，多个扭转弹簧可以共同具有非线性弹簧常数和线性弹簧常数。在某些其他方面，非线性弹簧常数与线性弹簧常数的比值可以满足预定阈值。

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年4月9日提交的美国专利申请号17/226,667，标题为“SCANNINGMIRROR ASSEMBLY WITH TORSION SPRINGS DESIGNED TO IMPROVE NON-LINEARITY”的优先权，以及2021年4月8日提交的美国专利申请号17/226,071，标题为“SYSTEM AND METHODFOR DESIGNING A SCANNING MIRROR ASSEMBLY WITH AN OPTIMIZED FREQUENCYBANDWIDTH BASED ON SPRING CONSTANT INFORMATION”的优先权。通过全部引用将两个优先权申请的内容明确纳入本文。

技术领域

本说明书涉及设计光学传感系统中使用的扫描镜，尤其是通过形成具有线性和优化扫描镜组件频率带宽的非线性弹簧常数的扭转弹簧使扫描镜组件具有优化的频率带宽。

背景技术

光学传感系统，例如激光雷达(LiDAR)系统，已广泛应用于先进的导航技术中，如辅助自动驾驶或生成高清地图技术。例如，典型的激光雷达系统通过用脉冲激光束照射目标并用传感器测量反射脉冲来测量到目标的距离。激光返回时间、波长和/或相位的差异可用于构建目标的数字三维(3D)表征。由于使用窄激光束作为入射光可以以非常高的分辨率绘制物理特征，因此LiDAR系统特别适用于自动驾驶传感和高清地图测量等应用。

激光雷达系统可能包括一个被配置为发射光束扫描物体的发射器，以及一个被配置为接收物体反射的光束接收器。发射器和接收器可以使用光学部件(例如扫描镜)将光束转向至多个方向。扫描镜可以是单个微镜，也可以是集成到由半导体材料，例如使用微电子机械系统(MEMS)技术，制成的微机械镜组件中的微镜阵列。在某些应用中，MEMS镜可以在谐振或谐振区附近工作。与非谐振反射镜相比，使用谐振可以使光学传感系统在相对较短的时间内获得较大的反射镜扫描角度。MEMS镜可在其特征振动频率处或其附近发生共振，该频率可由与扫描反射镜、扫描器和/或发射器相关的设计参数确定。

这些设计参数可以包括镜尺寸、Q系数、梳齿数、梳齿间距离、梳齿长度、驱动频率和振幅、弹簧尺寸、线性弹簧常数k₁、非线性弹簧常数k₃和/或弹簧常数比r₃(其中r₃＝k₃/k₁)，上述只是其中一些例子。这些设计参数可以在设计阶段进行调整，以使扫描镜组件满足一个或多个目标性能特征，例如目标镜扫描角度、特征振动频率、目标振动频率带宽等。

因此，能够在扫描镜的设计阶段准确有效地计算目标性能特性是有益的。然而，目前可用于计算设计阶段性能特征的技术仅适用于刚性扫描镜组件。例如，对于扭转弹簧设计，传统技术无法高精度地计算非线性弹簧常数k₃和弹簧常数比r₃。因此，传统扭转弹簧设计未能考虑相关的非线性弹簧常数k₃(以及弹簧常数比r₃)和振动频率带宽。因此，传统扭转弹簧缺乏所需的非线性，使用传统扭转弹簧可能会限制相关扫描镜组件的性能。

因此，扭转弹簧的结构特征不能满足实现所期望的非线性弹簧常数k₃(以及弹簧常数比r₃)和振动频率带宽。

发明内容