本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，用于測(cè)量如空氣中顆粒這樣的顆粒的速度。本發(fā)明具體涉及具有微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的激光雷達(dá)(lidar)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

眾所周知，lidar可用于測(cè)量顆粒的速度。通常，使用諸如望遠(yuǎn)鏡的單個(gè)光束聚焦光學(xué)單元來(lái)測(cè)量速度。單個(gè)望遠(yuǎn)鏡通常都用作光的發(fā)射器和接收器，該光通常是激光束。首先，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡將光發(fā)射到目標(biāo)，其次，光在目標(biāo)物體處散射，最后通過(guò)望遠(yuǎn)鏡接收后向散射光，從而可以確定速度分量。

具有單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的lidar系統(tǒng)限于視線(xiàn)測(cè)量，不能確定例如具有多個(gè)速度分量的風(fēng)場(chǎng)。確定多個(gè)速度分量，即多個(gè)速度矢量的一個(gè)解決方案是在望遠(yuǎn)鏡中實(shí)現(xiàn)掃描單元，使得可以獲得更寬的視場(chǎng)。另一個(gè)解決方案是使用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡，例如通過(guò)分割單個(gè)光束而例如同時(shí)測(cè)量風(fēng)速分量。后一種解決方案的缺點(diǎn)意味著發(fā)射的光功率的下降。因此，已經(jīng)提出在多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間切換單個(gè)光束，特別是使得光束聚焦光學(xué)單元指向相同的探測(cè)器體積，從而提供相同目標(biāo)體積的不同視圖。

為了在多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間切換光束，具體地提出使用光纖，以便在光功率損耗很小的情況下將光束切換并耦合到光束聚焦光學(xué)單元中。使用光纖首先將固定的光配置和特定傳輸提供到例如多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元中。在這方面，光纖解決方案是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。另一方面，這個(gè)解決方案對(duì)于光束聚焦光學(xué)單元的配置，確切地說(shuō)對(duì)準(zhǔn)也極為敏感。例如，在lidar系統(tǒng)的組裝中，光束聚焦光學(xué)單元可以易于未對(duì)準(zhǔn)，然后可以調(diào)節(jié)光纖以適應(yīng)光束聚焦光學(xué)單元的未對(duì)準(zhǔn)。可替換地，可以將光束聚焦光學(xué)單元調(diào)整到光纖，或者兩種方法的組合可以提供總體對(duì)準(zhǔn)的lidar系統(tǒng)。這樣的對(duì)準(zhǔn)是麻煩和有時(shí)間要求的。此外，如果lidar系統(tǒng)安裝在例如風(fēng)力渦輪機(jī)的頂部，則可能不容易對(duì)準(zhǔn)光纖或光束聚焦光學(xué)單元，因此需要提供容易且簡(jiǎn)單光束對(duì)準(zhǔn)的lidar系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決和應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題和難題，本公開(kāi)內(nèi)容提供了一種lidar系統(tǒng)，包括：光束生成部，適于生成輸出光束；多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，每個(gè)具有至少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件限定光軸；及與光束生成部光學(xué)連接的光束控制元件，并且包括微機(jī)電系統(tǒng)(mems)，所述微機(jī)電系統(tǒng)包括適于布置在多個(gè)位置的至少一個(gè)反射元件，所述光束控制元件被配置為通過(guò)選擇性地定位反射元件而使得可以在每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的至少一個(gè)光學(xué)元件之間可互換地引導(dǎo)輸出光束，及其中，選擇反射元件的選定位置，使得輸出光束與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸對(duì)準(zhǔn)。

通過(guò)據(jù)此公開(kāi)的本發(fā)明，可以容易地將輸出光束與光束聚焦光學(xué)單元的光軸對(duì)準(zhǔn)，例如通過(guò)簡(jiǎn)單地改變反射元件的選定位置。選定位置可以基于期望的設(shè)計(jì)，例如理論設(shè)計(jì)或原型設(shè)計(jì)。可替換地，選定位置可以基于組裝的系統(tǒng)的性能參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，通過(guò)將輸出光束與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸對(duì)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)理解，這是在例如mems和光軸的確定的精度內(nèi)的。因此，在實(shí)際中，與光軸的對(duì)準(zhǔn)在一定的精確度內(nèi)，使得輸出光束偏離光軸例如小于5度、例如小于4度、例如小于3度、例如小于2度，優(yōu)選地小于1度和/或更優(yōu)選小于0.1度。

然而，例如在組裝或安裝光束聚焦光學(xué)單元期間，容易發(fā)生光軸偏離所期望的設(shè)計(jì)(稱(chēng)為未對(duì)準(zhǔn))。然而，也可能由于諸如溫度變化這樣的環(huán)境條件而發(fā)生未對(duì)準(zhǔn)，從而使光束聚焦光學(xué)單元中的光學(xué)元件或其他材料(例如固定光學(xué)元件的材料)收縮或膨脹。

因此，通過(guò)本發(fā)明，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變反射元件的選定位置來(lái)適應(yīng)光束聚焦光學(xué)單元的未對(duì)準(zhǔn)。與典型的對(duì)準(zhǔn)相比，本發(fā)明提供的對(duì)準(zhǔn)可以至少取消光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。取消機(jī)械對(duì)準(zhǔn)可能是很好的，特別是當(dāng)lidar系統(tǒng)放置在風(fēng)力渦輪機(jī)的頂部而難以執(zhí)行機(jī)械對(duì)準(zhǔn)時(shí)。即使光束聚焦光學(xué)單元可以從風(fēng)力渦輪機(jī)的頂部卸下并且在地面上機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)lidar系統(tǒng)再次安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的頂部時(shí)仍然存在未對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本發(fā)明提供了一種lidar系統(tǒng)，其可以例如通過(guò)遠(yuǎn)離lidar系統(tǒng)改變選定位置而以低風(fēng)險(xiǎn)對(duì)準(zhǔn)。

本發(fā)明還提供了一種lidar系統(tǒng)，其中光纖不必耦合到光束聚焦光學(xué)單元中，因?yàn)閙ems能夠?qū)⑤敵龉馐苯右龑?dǎo)到光束聚焦光學(xué)單元中。以這種方式，可以提供光束聚焦光學(xué)單元的更簡(jiǎn)單的對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)闊o(wú)需光纖與光束聚焦光學(xué)單元對(duì)準(zhǔn)。另一方面，需要實(shí)現(xiàn)的唯一事情是確定mems的反射元件的選定位置的位置，使得能夠最佳地通過(guò)光束聚焦光學(xué)單元來(lái)發(fā)射并接收輸出光束。

通過(guò)如所述的在lidar系統(tǒng)中具有mems，實(shí)現(xiàn)了其它幾個(gè)效果。首先，具有反射元件的mems能夠在位置之間快速切換。以這種方式，本發(fā)明可以類(lèi)似于具有同時(shí)發(fā)射和接收的多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)。然而，本發(fā)明可以比這樣的lidar系統(tǒng)更好，因?yàn)橛捎诓环指罟馐怨鈸p耗可以非常小，而且因?yàn)樵诜瓷湓锌梢源嬖诘偷牟迦霌p耗。其次，由于如所述的mems具有反射元件，提供了對(duì)波長(zhǎng)變化(例如，如果反射元件被適當(dāng)?shù)赝繉?不敏感的光束控制元件。例如，如果光源隨著時(shí)間的推移而失調(diào)，波長(zhǎng)變化例如可以在諸如幾個(gè)月甚至幾年的長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。因此，本發(fā)明提供了一種提供高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的精確對(duì)準(zhǔn)的lidar系統(tǒng)。第三，mems中的反射元件可以對(duì)環(huán)境因素不敏感，例如天氣條件，例如濕度或溫度。結(jié)果，本發(fā)明可以提供工作不會(huì)劣化的lidar系統(tǒng)，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。第四，mems可以對(duì)偏振不敏感。因此，本發(fā)明提供了無(wú)需偏振控制的lidar系統(tǒng)，從而提供了易于制造的lidar系統(tǒng)。此外，mems內(nèi)的反射元件可以提供一種lidar系統(tǒng)，其給予了提供調(diào)節(jié)焦距的能力的優(yōu)點(diǎn)。

本文所公開(kāi)的lidar系統(tǒng)可以是相干多普勒l(shuí)idar系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)射光束并從目標(biāo)接收一部分后向散射光，使得后向散射光與由本地振蕩器生成的參考光束相干地疊加。因此，lidar系統(tǒng)可以包括本地振蕩器。本地振蕩器可以包括生成光學(xué)器件，例如參考楔，例如負(fù)責(zé)生成反射信號(hào)。因此，可以借助參考光束在檢測(cè)器上接收后向散射光，從中可以推導(dǎo)出目標(biāo)的視線(xiàn)或徑向速度。因此，后向散射光可以是多普勒偏移的目標(biāo)信號(hào)和未偏移的參考信號(hào)，即，檢測(cè)器可以接收多普勒頻譜，從其可以例如在信號(hào)處理器中執(zhí)行諸如頻率分析的分析。通過(guò)具有多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，可以求解該目標(biāo)和/或多個(gè)目標(biāo)的多個(gè)速度矢量。

相干多普勒l(shuí)idar系統(tǒng)由于本地振蕩器的相位噪聲而易于受到相位誘導(dǎo)強(qiáng)度噪聲(piin)的影響，該相位噪聲通過(guò)來(lái)自目標(biāo)的后向散射光的波震動(dòng)而轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度噪聲。piin至少取決于來(lái)自本地振蕩器的信號(hào)的功率、剩余光的功率、光束生成部的相干時(shí)間以及本地振蕩器和后向散射光之間的延遲時(shí)間。由于本地振蕩器和后向散射光之間的延遲時(shí)間，piin取決于從目標(biāo)到本地振蕩器的光程的配置，從而取決于lidar系統(tǒng)的配置。具體來(lái)說(shuō)，piin隨著在本地振蕩器和后向散射光之間的平方延遲時(shí)間而增加，因此piin隨著從目標(biāo)到本地振蕩器的平方光程而增加。換句話(huà)說(shuō)，piin對(duì)光程非常敏感，因此最好盡可能縮短光程以降低piin。

然而，本文所公開(kāi)的lidar系統(tǒng)中的mems的實(shí)現(xiàn)可以具有增加piin的效果，這是由于與其他lidar系統(tǒng)相比增加的光程。然而，借助其他效果描述的優(yōu)點(diǎn)提供了在測(cè)量顆粒速度方面具有很大優(yōu)勢(shì)的lidar系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種lidar系統(tǒng)，包括：適于生成輸出光束的光束生成部；多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，每個(gè)具有至少一個(gè)光學(xué)元件，光學(xué)元件限定一個(gè)或多個(gè)光軸；及與光束生成部光學(xué)連接的光束控制元件，其包括微機(jī)電系統(tǒng)(mems)，所述微機(jī)電系統(tǒng)包括適于布置在多個(gè)位置中的至少一個(gè)反射元件，所述光束控制元件位于光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)上，并且被配置為通過(guò)選擇性地定位反射元件而使得可以在每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的至少一個(gè)光學(xué)元件之間可互換地引導(dǎo)來(lái)自至少一個(gè)反射元件的輸出光束，及其中，選擇反射元件的選定位置，使得被引導(dǎo)的輸出光束與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種lidar系統(tǒng)，包括：適于生成輸出光束的光束生成部；多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，每個(gè)具有至少兩個(gè)光學(xué)元件，所述至少兩個(gè)光學(xué)元件限定一個(gè)或多個(gè)光軸；及與光束生成部光學(xué)連接的光束控制元件，其包括微機(jī)電系統(tǒng)(mems)，所述微機(jī)電系統(tǒng)包括適于布置在多個(gè)位置中的至少一個(gè)反射元件，所述光束控制元件位于光束聚焦光學(xué)單元中的至少兩個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)上，并且被配置為通過(guò)選擇性地定位反射元件而使得可以在每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的至少兩個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)光學(xué)元件之間可互換地引導(dǎo)來(lái)自至少一個(gè)反射元件的輸出光束，及其中，選擇反射元件的選定位置，使得被引導(dǎo)的輸出光束與光束聚焦光學(xué)單元中的至少兩個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。

通過(guò)使光束控制元件位于光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)上，輸出光束可以直接對(duì)準(zhǔn)光束聚焦單元的光軸中的一個(gè)。因此，如果限定一個(gè)或多個(gè)光軸的至少一個(gè)光學(xué)元件中的一個(gè)變得未對(duì)準(zhǔn)，從而形成新的光軸，則輸出光束可以直接對(duì)準(zhǔn)新的光軸，具體是通過(guò)選擇性地定位反射元件。例如可能由于至少一個(gè)光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)生未對(duì)準(zhǔn)。至少一個(gè)光學(xué)元件可以例如是透鏡元件或反射元件，例如平面鏡或曲面鏡。

最優(yōu)選地，可以在自由空間中向每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的至少兩個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)光學(xué)元件傳送輸出光束。當(dāng)在自由空間中傳送時(shí)，由此光束控制元件可以位于光束聚焦光學(xué)單元中的至少兩個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)上。

在最優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，至少一個(gè)反射元件可以包括反射平面。在這樣的實(shí)施例中，由此反射平面的法線(xiàn)相對(duì)于入射在反射平面上的輸出光束成角度，并且相對(duì)于光束聚焦光學(xué)單元中的至少兩個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)成角度。

測(cè)量目標(biāo)和體積

如前所述，本公開(kāi)內(nèi)容涉及測(cè)量目標(biāo)的速度。因此，該系統(tǒng)可以被配置為用于測(cè)量固體和/或擴(kuò)散的目標(biāo)的速度，例如如灰塵、花粉粒、水滴和分子等的浮質(zhì)。浮質(zhì)可以在不同的目標(biāo)體積內(nèi)，從而可以測(cè)量幾個(gè)目標(biāo)的多個(gè)速度矢量。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該系統(tǒng)被配置為使得所述光束聚焦光學(xué)單元被聚焦在不同的目標(biāo)體積。目標(biāo)體積可以具有小于1m的直徑，例如小于0.5m，徑向范圍小于100m，例如小于25m。為了聚焦于不同的目標(biāo)體積，在多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間可以存在角度偏差。例如，兩個(gè)或多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的光軸可以以5至60度之間，例如20至60度之間的偏航角度成角度。對(duì)于后一種情況，并且如果每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元聚焦在100米處，則目標(biāo)體積可以橫向分開(kāi)約35至100米。除了偏航角之外，兩個(gè)或更多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元也可以以0至+/-30度之間的仰角成角度。

如前所述，系統(tǒng)可以是相干多普勒l(shuí)idar系統(tǒng)。關(guān)于此，系統(tǒng)可以基于光外差探測(cè)。因此，光束聚焦光學(xué)單元可以被配置為用于接收光信號(hào)。

光學(xué)系統(tǒng)

在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括光循環(huán)器，光循環(huán)器包括被配置為與至少光束生成部和光束控制元件光學(xué)連接的至少兩個(gè)端口。因此，第一端口連接到光束生成部，第二端口是光束從其發(fā)射并進(jìn)一步進(jìn)入mems的端口。在mems之前，當(dāng)設(shè)置為相干lidar多普勒l(shuí)idar時(shí)，光束可能已經(jīng)通過(guò)本地振蕩器生成光學(xué)器件，例如參考楔。優(yōu)選地，光循環(huán)器包括三個(gè)端口，使得第三端口與檢測(cè)器光學(xué)連接。因此，可以在端口3處將多普勒偏移的目標(biāo)信號(hào)和參考信號(hào)傳送到檢測(cè)器。

如上所述的光學(xué)連接可由光纖，優(yōu)選地標(biāo)準(zhǔn)單模光纖提供。例如，可以在光束生成部和光循環(huán)器的第一端口之間存在光纖。還可以存在來(lái)自光循環(huán)器的第二端口的光纖，其將輸出光束耦合出光纖并進(jìn)入mems，并且如先前所述，優(yōu)選地在mems之前，還進(jìn)入本地振蕩器生成光學(xué)器件。來(lái)自第二端口的光纖部分地指定本地振蕩器和后向散射光之間的延遲時(shí)間，并且因此可以以一定長(zhǎng)度來(lái)選擇以減少piin。從mems，能夠?qū)⒐馐龑?dǎo)到多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元中，使得光束能夠沿著每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的光軸對(duì)準(zhǔn)。此外，還可以存在從光循環(huán)器的第三端口進(jìn)入檢測(cè)器的光纖。正如剛才所述，這里公開(kāi)的lidar系統(tǒng)可以是部分自由空間光學(xué)系統(tǒng)。自由空間部分可以增大lidar系統(tǒng)中的光程，使得piin可以相應(yīng)地增大。另一方面，自由空間部分還允許在lidar系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)mems，從而輸出光束能夠沿著每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的光軸對(duì)準(zhǔn)。具有mems的另外的效果是，它提供了使用通常是低成本的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的可能性。通過(guò)本發(fā)明，因此提供了一種低成本的lidar系統(tǒng)，特別是與例如需要偏振維持單模光纖的lidar系統(tǒng)相比。例如，例如在偏振控制lidar系統(tǒng)中需要偏振維持單模光纖，其中也可以將輸出光束分割成具有不同偏振的信號(hào)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光束生成部是波長(zhǎng)可調(diào)激光器。波長(zhǎng)可調(diào)激光器能夠改變每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的焦距，從而提供靈活的lidar系統(tǒng)?？烧{(diào)激光器可以被配置為在+/-100nm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，例如+/-50nm，例如+/-10nm，和/或例如+/-5nm。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，光束生成部是全半導(dǎo)體光源。全半導(dǎo)體光源可以例如是主振蕩器功率放大器(mopa)半導(dǎo)體激光器，例如單片集成mopa半導(dǎo)體激光器，例如發(fā)射大約1550nm的波長(zhǎng)。如前所述，piin取決于光束生成部的相干時(shí)間，并且通過(guò)使用全半導(dǎo)體mopa激光器，與使用其它激光源相比，相干時(shí)間可提供相對(duì)大量的piin。使用全半導(dǎo)體mopa激光器與同樣可以提供相對(duì)較大的piin的mems組合因此可以提供整體較大的piin。因此，這種組合可以被看作是一個(gè)重要的權(quán)衡。另一方面，具有全半導(dǎo)體激光器的效果可以是其提供了光束生成部的廉價(jià)且緊湊的解決方案。特別地，全半導(dǎo)體mopa激光器還提供具有低或無(wú)寄生反射的lidar系統(tǒng)。此外，全半導(dǎo)體非常穩(wěn)定，因此在穩(wěn)定性非常重要的lidar系統(tǒng)中尤其在風(fēng)力渦輪機(jī)頂上使用時(shí)具有極大優(yōu)勢(shì)。

輸出光束

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，輸出光束是連續(xù)波激光束。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，輸出光束是脈沖波激光束。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，來(lái)自每個(gè)所述光束聚焦光學(xué)單元的輸出光束在1-1000米之間的焦距聚焦。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，焦距可以小于1米，例如小于0.5米，例如小于0.25米，和/或小于0.1米，和/或范圍達(dá)到1000米的焦距。

來(lái)自每個(gè)所述光束聚焦光學(xué)單元的輸出光束可以由波長(zhǎng)調(diào)諧裝置(例如由波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器)聚焦。

光束聚焦光學(xué)單元及其光軸

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元是三個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，其允許確定三個(gè)速度矢量。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元是四個(gè)或五個(gè)光束聚焦光學(xué)單元，其允許確定四個(gè)或五個(gè)速度矢量。具有四個(gè)或五個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的效果可以是，它們對(duì)于測(cè)量顆粒速度而言，可以提供比三個(gè)光束聚焦光學(xué)單元更好的精度。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，諸如用于至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸被定義為連接每個(gè)光學(xué)表面的曲率中心的中心點(diǎn)的線(xiàn)。換句話(huà)說(shuō)，光軸是連接每個(gè)光學(xué)表面的曲率中心的假想中心線(xiàn)。光軸可以是直線(xiàn)，特別是當(dāng)僅存在單個(gè)光學(xué)元件時(shí)。

然而，按照與用于至少一個(gè)光學(xué)元件的相同定義，光軸也可以由兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件限定。在這方面，由兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件限定的光軸可以是直線(xiàn)，但是光軸也可以被重定向或是被重定向的線(xiàn)，由此形成斷裂的光軸。

當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的反射元件的選定位置將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光軸時(shí)，優(yōu)選地在安裝lidar系統(tǒng)之前選擇選定位置，從而僅需進(jìn)行一次對(duì)準(zhǔn)。然而，如上所述，光軸可能由于各種原因而改變，并且在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，在安裝lidar系統(tǒng)之后選擇選定位置。

選定位置可以例如被選擇為使得位置基于例如發(fā)射和/或接收的信號(hào)的測(cè)量。因此，lidar系統(tǒng)可以包括主動(dòng)反饋系統(tǒng)，確切地說(shuō)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，其向mems提供測(cè)量輸入，以便控制反射元件的位置。

mems

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，至少在室溫下將選定位置定位在小于500微度的精度。換句話(huà)說(shuō)，由于mems的位置重復(fù)性小于500微度，可以非常精確地重新定位選定位置。因此，mems提供了lidar系統(tǒng)，其中輸出光束沿著每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的光軸的對(duì)準(zhǔn)非常精確且非常穩(wěn)定。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，選定位置是-25度至+25度之間的角位置，例如在-10度至+10度之間，例如在-9度至+9度之間，例如在-8度到+8度之間，例如-7度到+7度之間，例如-6度到+6度之間，例如-5度到+5度之間。反射元件能夠在兩個(gè)方向上傾斜，這意味著角位置可以沿著兩個(gè)方向，例如x方向和y方向。

此外，mems可以被配置為在小于500ms(例如小于400ms，例如小于300ms，例如小于200ms，例如小于100ms，例如小于50ms，例如小于40ms，例如小于30ms，例如小于20ms，和/或例如小于10ms)內(nèi)將輸出光束從一個(gè)光束聚焦光學(xué)單元引導(dǎo)到另一個(gè)光束聚焦光學(xué)單元。以這種方式，mems可以提供快速移動(dòng)測(cè)量方向的lidar系統(tǒng)。

優(yōu)選地，反射元件可以是反射鏡，即，mems可以包括至少一個(gè)mems鏡。

mems可以具有反射鏡，例如直徑小于10mm，例如小于9mm，例如小于8mm，例如小于7mm，例如小于6mm，例如小于5mm，例如小于4mm，例如小于3mm，例如小于2mm和/或例如小于1mm的粘合反射鏡。在其他實(shí)施例中，反射鏡可以大于10。

更優(yōu)選地，反射元件可以被配置為具有允許波長(zhǎng)調(diào)諧的反射率。以這種方式，可以在lidar系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，從而光束聚焦光學(xué)單元的焦點(diǎn)可以由于波長(zhǎng)調(diào)諧而最佳地改變。

其他光束控制元件

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，光束控制元件包括一個(gè)或多個(gè)光束重定向結(jié)構(gòu)，從而減少反射元件的所述定位。例如，通過(guò)具有多達(dá)四個(gè)更多的光束重定向結(jié)構(gòu)(諸如固定反射鏡)，可以以小于5度的角位置改變反射元件的位置，使得在大于20度的方向上改變輸出光束，特別是使得可以將其輸出光束引導(dǎo)到它們的光軸彼此成大于20度角度的光束聚焦光學(xué)單元中。此外，通過(guò)這種方式，可以提供非常快速移動(dòng)測(cè)量方向的lidar系統(tǒng)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光束控制元件包括一個(gè)或多個(gè)液晶，從而可以控制所述輸出光束的偏振。在該實(shí)施例的一個(gè)示例中，可以將液晶裝置放置在mems的前面，以控制由反射元件引導(dǎo)的光的偏振狀態(tài)。如果一些測(cè)量要求輸出光束具有特定或可調(diào)偏振狀態(tài)，則這樣的實(shí)施例可能是有用的。在該實(shí)施例的另一示例中，液晶可以放置在每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的前面。反射元件可以沿著光束聚焦光學(xué)單元之一的光學(xué)元件切換光束，然后液晶可以在兩個(gè)正交線(xiàn)性狀態(tài)之間切換偏振。以這種方式，可以為每個(gè)望遠(yuǎn)鏡提供兩個(gè)輸出光束，從而提供了確定一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的更多速度矢量的可能性。

光束生成部與mems之間的光學(xué)連接

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光束生成部和mems之間的光學(xué)連接借助朝向至少一個(gè)反射元件發(fā)散的輸出光束，從而當(dāng)與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，被引導(dǎo)的輸出光束朝向至少一個(gè)光學(xué)元件發(fā)散。最優(yōu)選地，被引導(dǎo)的光束在自由空間中朝向至少一個(gè)光學(xué)元件發(fā)散。從而有助于與光軸的對(duì)準(zhǔn)與其它傳播元件無(wú)關(guān)。因此可以以簡(jiǎn)單的方式獲得與光軸中的至少一個(gè)的對(duì)準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，朝向至少一個(gè)反射元件發(fā)散的輸出光束直接從光纖傳播。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光束生成部和mems之間的光學(xué)連接借助朝向至少一個(gè)反射元件會(huì)聚的輸出光束，從而當(dāng)與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，被引導(dǎo)的輸出光束朝向至少一個(gè)光學(xué)元件會(huì)聚。最優(yōu)選地，被引導(dǎo)的光束在自由空間中朝向至少一個(gè)光學(xué)元件會(huì)聚。從而有助于與光軸的對(duì)準(zhǔn)與其它傳播元件無(wú)關(guān)。因此可以以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)與光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。

在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，光束生成部和mems之間的光學(xué)連接借助朝向至少一個(gè)反射元件準(zhǔn)直的輸出光束，從而當(dāng)與光束聚焦光學(xué)單元中的至少一個(gè)光學(xué)元件的光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，被引導(dǎo)的輸出光束朝向至少一個(gè)光學(xué)元件準(zhǔn)直。最優(yōu)選地，準(zhǔn)直的光束在自由空間中朝向至少一個(gè)光學(xué)元件會(huì)聚。從而有助于與光軸的對(duì)準(zhǔn)與其它傳播元件無(wú)關(guān)。因此可以以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)與光軸中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。

示例1：一般lidar系統(tǒng)

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。激光器通過(guò)第一端口光學(xué)連接到光循環(huán)器。循環(huán)器包括三個(gè)端口，第二端口光學(xué)連接到本地振蕩器生成光學(xué)器件。本地振蕩器生成光學(xué)器件進(jìn)一步光學(xué)耦合到mems反射鏡，mems反射鏡被配置為使得其能夠?qū)?lái)自激光器、通過(guò)光循環(huán)器、通過(guò)本地振蕩器生成光學(xué)器件的光引導(dǎo)到多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元(這里表示為光收發(fā)器)之一中。光收發(fā)器被配置為用于從目標(biāo)接收后向散射光，使得后向散射光能夠被引導(dǎo)回到mems反射鏡中、通過(guò)本地振蕩器生成光學(xué)器件(從本地振蕩器生成光學(xué)器件得到與后向散射光疊加的反射參考光束)、進(jìn)入光循環(huán)器、離開(kāi)端口3、進(jìn)入檢測(cè)器，在此信號(hào)處理器處理信號(hào)的頻譜。

示例2：示出了在直線(xiàn)光軸上具有光學(xué)元件的兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。輸出光束1從光束生成部(圖中未示出)向具有反射元件的mems4傳播，使得輸出光束在在該示例中具有兩個(gè)光學(xué)元件的兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間重定向，即在該示例中的第一光束聚焦光學(xué)單元中的第一透鏡2和第二透鏡3，以及第二光束聚焦光學(xué)單元中的第一透鏡7和第二透鏡8。mems4被配置為以角度6傾斜以便將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元中的兩個(gè)光學(xué)元件的光軸。第一光束聚焦光學(xué)單元具有作為光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。第二光束聚焦光學(xué)單元具有另一個(gè)光軸9，其也是光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量相同目標(biāo)和/或另一個(gè)目標(biāo)的探測(cè)器方向重合?？梢钥闯?，在這種情況下，光軸對(duì)于每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元是直線(xiàn)。從該示例也可以看出，在mems上存在位于光軸5和另一光軸9上的反射元件。兩個(gè)光軸以虛線(xiàn)示出。輸出光束1也是測(cè)量光束，在這種情況下的光束直徑或光束寬度小于mems的孔徑，從而能夠?qū)?zhǔn)整個(gè)光束。

示例3：示出了在直線(xiàn)光軸上具有光學(xué)元件的兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例。輸出光束1從光束生成部(圖中未示出)向具有反射元件的mems4傳播，使得輸出光束在兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間重定向，這兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元在該示例中具有兩個(gè)光學(xué)元件，即在該示例中的第一光束聚焦光學(xué)單元中的第一透鏡2和第二透鏡3以及第二光束聚焦光學(xué)單元中的第一透鏡7和第二透鏡8。mems4被配置為以一定角度傾斜以便將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元中的兩個(gè)光學(xué)元件的光軸。第一光束聚焦光學(xué)單元具有作為光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。第二光束聚焦光學(xué)單元具有另一個(gè)光軸9，其也是光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量相同目標(biāo)和/或另一個(gè)目標(biāo)的探測(cè)器方向重合?？梢钥闯?，在這種情況下，光軸對(duì)于每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元是直線(xiàn)。輸出光束1也是測(cè)量光束，在這種情況下具有小于mems的孔徑的光束直徑或光束寬度，使得整個(gè)光束能夠?qū)?zhǔn)。在將輸出光束重定向到兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元中的一個(gè)之前，光束入射在與第一光束聚焦光學(xué)單元光學(xué)連通的第一反射元件10上，以及與第一光束聚焦光學(xué)單元光學(xué)連通的第二反射元件11上。第一反射元件和第二反射元件可以是反射鏡、mems、光柵和/或棱鏡。在這種情況下，第一反射元件和第二反射元件分別是第一光束聚焦光學(xué)單元和第二光束聚焦光學(xué)單元的光學(xué)元件。從該示例可以看出，第一光軸5包括兩個(gè)光軸5、5'，因?yàn)榉瓷湓?0將光軸5斷開(kāi)為兩個(gè)光軸5和5'。類(lèi)似地，第二光軸9包括兩個(gè)光軸9和9'，因?yàn)榈诙瓷湓?1將第二光軸9斷開(kāi)為兩個(gè)光軸9和9'。所有的光軸都用虛線(xiàn)表示。從這個(gè)示例也可以看出，在mems上存在位于光軸5和5'以及其他光軸9和9'上的反射元件。

示例4：示出了在斷開(kāi)的光軸上具有光學(xué)元件的光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例，其中僅示出了單個(gè)光束聚焦光學(xué)單元。輸出光束1從光束生成部(圖中未示出)向光束聚焦光學(xué)單元傳播，在該示例中光束聚焦光學(xué)單元具有兩個(gè)光學(xué)元件，在該示例中為第一透鏡2和第二透鏡3。mems4放置在第一透鏡和第二透鏡之間，并且被配置為以一定角度傾斜，以將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元中的一個(gè)光學(xué)元件(在此情況下是第二透鏡3)的光軸。第二透鏡3具有作為第二透鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與第二透鏡的機(jī)械軸和必須在其上測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。具有如圖4所示的設(shè)置的效果在于第一光學(xué)元件2可以是用于多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的公共光學(xué)元件。以這種方式，可以節(jié)省用于其余光束聚焦光學(xué)單元的第一光學(xué)元件。從該示例還可以看出，光軸是斷開(kāi)的光軸，因?yàn)樗┻^(guò)第一透鏡的中心和第二透鏡的中心。由于mems4的成角度定位受限，對(duì)透鏡2的焦距和尺寸施加了限制。從該示例可以看出，第一光軸5包括兩個(gè)光軸5和5'，因?yàn)樵趍ems4上的反射元件將光軸5斷開(kāi)為兩個(gè)光軸5和5'。所有的光軸都用虛線(xiàn)表示。從該示例還可以看出，位于光軸5和5'上的mems上的反射元件。

示例5：示出了1在斷開(kāi)的光軸上具有光學(xué)元件的兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例，其中示出了兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元。輸出光束1從光束生成部(圖中未示出)向光束聚焦光學(xué)單元傳播，在該示例中光束聚焦光學(xué)單元具有兩個(gè)光學(xué)元件，即在該示例中為第一聚焦光學(xué)單元的第一透鏡2和第二透鏡3，以及第二光束聚焦光學(xué)單元的第一透鏡2和第二透鏡8。mems4放置在第一透鏡2之后，作為用于兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的公共光學(xué)透鏡元件，并且mems被配置為以一定角度傾斜以便將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元中的光學(xué)元件中的一個(gè)的光軸，在這種情況下，是第一光束聚焦光學(xué)單元的第二透鏡3和第二光束聚焦光學(xué)單元的第二透鏡8。第二透鏡3具有作為第二透鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與第二透鏡3的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。第二透鏡8具有作為第二透鏡8的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與第二透鏡的機(jī)械軸和必須在其中測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。具有如圖4所示的設(shè)置的效果在于第一光學(xué)元件2可以是用于多個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的公共光學(xué)元件。以這種方式，可以節(jié)省用于其余光束聚焦光學(xué)單元的第一光學(xué)元件。從該示例還可以看出，光軸是斷開(kāi)的光軸，因?yàn)樗┻^(guò)第一透鏡2的中心和第二透鏡3、8的中心。包括兩個(gè)額外的反射元件10、11以減少與空間限制有關(guān)的問(wèn)題，以及在期望的方向5、9上引導(dǎo)測(cè)量光束1。在該設(shè)置中，可以以與mems的角度定位相結(jié)合的角位置調(diào)整兩個(gè)額外元件10、11，使得可以調(diào)整測(cè)量光束1以便使其分別與光軸重合。根據(jù)本發(fā)明，可以使用mems的角度定位來(lái)減少機(jī)械調(diào)整的次數(shù)，例如諸如透鏡或反射鏡之類(lèi)的光學(xué)元件的調(diào)整。在該示例中，兩個(gè)額外元件10、11被示為兩個(gè)單獨(dú)的元件，但是可替換地，也可以將它們組合為單個(gè)元件，仍然負(fù)責(zé)將來(lái)自mems的光束重定向到兩個(gè)期望的方向5、9。從該示例可以看出，第一光軸5包括兩個(gè)光軸5和5'，因?yàn)榉瓷湓?0將光軸5斷開(kāi)為兩個(gè)光軸5和5'。類(lèi)似地，第二光軸9包括兩個(gè)光軸9和9'，因?yàn)榈诙瓷湓?1將第二光軸9斷開(kāi)為兩個(gè)光軸9和9'。所有的光軸都用虛線(xiàn)表示。從該示例還可以看出，在mems上存在位于光軸5'和9'上的反射元件。

示例6：示出了在斷開(kāi)的光軸上具有光學(xué)元件的兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元的lidar系統(tǒng)

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的lidar系統(tǒng)的實(shí)施例，其中每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元都有一個(gè)光學(xué)元件。發(fā)散輸出光束1從光束生成部(該圖中未示出)朝向mems4傳播。發(fā)散輸出光束可以來(lái)自光纖。mems具有反射元件，使得輸出光束在兩個(gè)光束聚焦光學(xué)單元之間重定向，在該示例中，每個(gè)光束聚焦單元具有一個(gè)光學(xué)元件。此外，在該示例中，在第一光束聚焦光學(xué)單元中存在透鏡3，在第二光束聚焦光學(xué)單元中存在透鏡8。mems4被配置為以一定角度傾斜，以將輸出光束對(duì)準(zhǔn)光束聚焦光學(xué)單元中的一個(gè)光學(xué)元件的光軸。第一光束聚焦光學(xué)單元具有作為光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸的光軸5，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。第二光束聚焦光學(xué)單元具有另一個(gè)光軸9，其也是光束聚焦光學(xué)單元的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸，在這種情況下，光軸與光束聚焦光學(xué)單元的機(jī)械軸線(xiàn)和必須在其中測(cè)量相同目標(biāo)和/或另一個(gè)目標(biāo)的探測(cè)器方向重合。可以看出，在這種情況下，光軸對(duì)于每個(gè)光束聚焦光學(xué)單元是直線(xiàn)。從該示例還可以看出，在mems上存在位于光軸5和另一光軸9上的反射元件。兩個(gè)光軸以虛線(xiàn)示出。輸出光束1也是測(cè)量光束，具有發(fā)散角。在這種情況下，發(fā)散角限制了光束生成部(圖中未示出)與mems之間的距離，從而能夠?qū)?zhǔn)整個(gè)光束。