阅读说明：本技术 光转向镜组件 (Light turning mirror assembly ) 是由 王佑民 周勤 于 2018-12-11 设计创作，主要内容包括：本申请披露了用于光转向的方法和系统。在一个示例中,一种装置包括：一个光源；一个接收器；一个微机电系统(MEMS)和一个控制器。微机电系统包括：第一旋转镜阵列,用于接收和反射来自光源的光束；第二旋转镜,用于接收由第一旋转镜阵列反射的光束。控制器被配置为分别旋转第一旋转镜阵列和第二旋转镜,设置光路与第一尺寸相关的第一角度,以及设置光路与正交于第一尺寸的第二尺寸相关的第二角度,以执行以下至少一项：沿光路反射来自光源的光,或将沿光路传播的输入光反射到接收器。(Methods and systems for light turning are disclosed. In one example, an apparatus comprises: a light source; a receiver; a micro-electro-mechanical system (MEMS) and a controller. The micro-electro-mechanical system comprises: a first array of rotating mirrors for receiving and reflecting light beams from the light source; a second rotating mirror for receiving the light beams reflected by the first rotating mirror array. The controller is configured to rotate the first and second rotating mirrors, respectively, set a first angle of the optical path relative to a first dimension, and set a second angle of the optical path relative to a second dimension orthogonal to the first dimension, to perform at least one of: light from a light source is reflected along an optical path or input light propagating along the optical path is reflected to a receiver.)

光转向镜组件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月7日提交的美国专利申请No.16/213,992的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此以用于所有目的。

背景技术

光转向通常涉及沿预定方向的光投射，以促进例如物体的检测和测距、物体的照明和扫描等。光转向可以用于许多不同的应用领域，例如，自主车辆、医疗诊断设备等。

可以在光的发射和接收中执行光转向。例如，光转向系统可以包括微镜阵列，以控制光的投射方向以检测/成像物体。此外，光转向接收器还可包括微镜阵列，以选择要由接收器检测的入射光的方向，以避免检测到其他不想要的信号。微镜阵列可以包括微镜组件阵列，其中每个微镜组件包括微镜和驱动器。在微镜组件中，微镜可以通过一个连接结构(例如扭杆、弹簧等)连接到基板上以形成枢轴，并且驱动器可以使微镜绕枢轴旋转。每个微镜可以旋转一个旋转角度，以将来自光源的光向目标方向反射(和转向)。驱动器可以旋转每个微镜以提供沿着垂直轴的投射角度的第一范围和提供沿着水平轴的投射角度的第二范围。投射角度的第一范围和第二范围可以确定一个二维视场(field of view FOV)，在该FOV中光被投射以检测/扫描物体。FOV还可以确定由接收器检测到的，物体反射的入射光的方向。

镜组件可以主导光转向系统的各种性能指标，例如精度、驱动功率、FOV、分散角、可靠性等。有望提供一种可以改善这些性能指标的镜组件。

发明内容

在一些实施例中，一种装置包括一个光检测和测距(LiDAR)模块。LiDAR模块包括：光源、接收器、以及包括微机电系统(MEMS)和控制器的半导体集成电路。微机电系统包括：第一旋转镜阵列，用于接收和反射来自光源的光束；第二旋转镜，用于接收由第一旋转镜阵列反射的光束；第一驱动器阵列，被配置为旋转第一旋转镜阵列；和第二驱动器，被配置为旋转第二旋转镜。控制器被配置为控制第一驱动器阵列旋转第一旋转镜阵列设置光路与第一尺寸相关的第一角度，以及控制第二驱动器旋转所述第二旋转镜设置光路与第一尺寸正交的第二尺寸相关的第二角度，以执行以下至少一项：沿光路发射来自光源的光，或将沿光路传播的输入光发射到接收器。在一些方面，光源是激光二极管。

在一些方面，光包括第一光信号。控制器被配置为：控制光源在第一时间发射包括第一光信号的光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器朝着物体输出包括沿着光路的第一光信号的光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器以选择输入光，该输入光包括从物体传播的沿着光路的第二光信号；由接收器在第二时间接收第二光信号；并基于第一时间和第二时间、第一角度和第二角度之间的差值确定物体相对于装置的位置。

在一些方面，第一旋转镜阵列和第二旋转镜形成于半导体集成电路的半导体基板的表面上。该装置可以进一步包括面对第一旋转镜阵列和第二旋转镜的第三镜，并且该第三镜被配置为将从第一旋转镜阵列反射的光反射到第二旋转镜。在一些方面，第三镜与半导体基板的表面由第一距离分隔。第一旋转镜阵列和第二旋转镜由第二距离分隔。第一距离和第二距离是基于来自光源的光相对于第一旋转镜的入射角来设定的。

在一些方面，该装置还包括位于光源和第一旋转镜之间的准直器透镜。准直器透镜具有预定的孔径。在一些方面，第一旋转镜阵列中的每个旋转镜和第二旋转镜的尺寸基本上等于该孔径。

在一些方面，第一旋转镜阵列形成于半导体集成电路的第一半导体基板的第一表面上。第二旋转镜形成与半导体集成电路的第二半导体基板的第二表面上。第一表面面向着第二表面。

在一些方面，第一旋转镜阵列的每个旋转镜的质量小于第二旋转镜的质量。控制器被配置为以第一频率调整第一旋转镜阵列的每个旋转镜的第一旋转角度。控制器还被配置为以高于所述第一频率的第二频率调整第二旋转镜的第二旋转角度，所述第二频率基本等于所述第二旋转镜的固有频率。

在一些方面，第一驱动器阵列中的每个驱动器和第二驱动器包括旋转驱动器。控制器被配置为基于分别调整由第一驱动器阵列的每个驱动器提供的第一转矩和由第二驱动器提供的第二转矩，调整第一旋转角度和第二旋转角度。

在一些方面，第一驱动器阵列中的每个驱动器和第二驱动器包括以下至少之一：梳状驱动器、压电装置或电磁装置。

在一些方面，该装置进一步包括运动传感器，每个运动传感器与第一旋转镜阵列的每个旋转镜和第二旋转镜耦合，并且被配置为测量第一旋转镜阵列的每个旋转镜和第二旋转镜的旋转角度。控制器进一步被配置为：从运动传感器接收数据；并基于数据确定第一旋转镜和第二旋转镜的每个驱动器的信号，使得第一旋转镜阵列中的每个旋转镜和第二旋转镜分别以第一目标角度和第二目标角度旋转。

在一些实施例中，提供了一种方法。该方法还包括：确定光路的第一角度和第二角度，该光路是用于输出光的投射路径或用于输入光的输入路径之一，第一角度与第一尺寸相关，第二角度与第一尺寸正交的第二尺寸相关；控制第一驱动器阵列以旋转微机电系统(MEMS)的第一旋转微镜阵列以设置第一角度；控制第二驱动器以旋转微机电系统的第二旋转镜以设置第二角度；使用光源将包括光信号的光束投射到镜组件，该镜组件包括第一旋转镜阵列和第二旋转镜；并将第一旋转镜阵列设置为第一角度，将第二旋转镜设置为第二角度，执行以下至少一项操作：将来自光源的输出光沿着投射路径反射到物体，或将沿着输入路径传播的输入光反射到接收器。

在一些方面，该方法还包括：控制光源在第一时间发射包括第一光信号的输出光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器以沿着光路朝着物体输出包括第一光信号的输出光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器以选择输入光，所述输入光包括从物体传播沿光路的第二光信号；由接收器在第二时间接收第二光信号；然后基于第一时间与第二时间、第一角度和第二角度之间的差值确定物体的位置。

在一些方面，该方法还包括：以第一频率调整第一旋转镜阵列的每个旋转镜的第一旋转角；以高于第一频率的第二频率下调整第二旋转镜的第二旋转角度，第二频率基本等于第二旋转镜的固有频率。

在一些方面，该方法还包括：从运动传感器接收指示第一旋转镜阵列的每个旋转镜的第一旋转角度的信息和第二旋转镜的第二旋转角度的信息；基于第一旋转角度与第一目标旋转角度之间的差值，调整对第一驱动器阵列的第一控制信号；然后基于第二旋转角度与第二目标旋转角度之间的差值，调整对第二驱动器的第二控制信号。

在一些实施例中，提供了一种非暂时性计算机精细介质。计算机指令介质存储的指令在由硬件处理器执行时会导致硬件处理器执行以下操作：确定光路的第一角度和第二角度，该光路是用于输出光的投射路径或输入光的输入路径之一，第一角度与第一尺寸相关，第二角度与第一尺寸正交的第二尺寸相关；控制第一驱动器阵列旋转一组微机电系统(MEMS)的第一旋转微镜阵列以设置为第一角度；控制第二驱动器旋转微机电系统的第二旋转镜以设置为第二角度；使用光源将包括光信号的光束投射到镜组件，该镜组件包括第一旋转镜阵列和第二旋转镜；当第一旋转镜阵列设置为第一角度和第二旋转镜设置为第二角度时，执行以下至少一个操作：将来自光源的输出光沿着投射路径反射到物体，或将沿着输入路径传播的输入光反射到接收器。

在一些方面，计算机可读介质还存储指令，这些指令由硬件处理器执行时，使硬件处理器控制光源在第一时间发射包括第一光信号的输出光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器以沿着光路朝着物体输出包括第一光信号的输出光；控制第一驱动器阵列和第二驱动器以选择输入光，该输入光包括从物体传播沿着光路的第二光信号；由接收器在第二时间接收第二光信号；并基于第一时间和第二时间、第一角度和第二角度之间的差值确定物体的位置。

在一些方面，计算机可读介质还存储指令，这些指令在由硬件处理器执行时会使硬件处理器执行以下操作：以第一频率调整第一旋转镜阵列的每个旋转镜的第一旋转角度；并以高于所述第一频率的第二频率调整所述第二旋转镜的第二旋转角度，所述第二频率基本等于所述第二旋转镜的固有频率。

附图说明

详细描述参照附图进行。

图1示出了利用本文公开的技术的一些实施例的方面的自主车辆。

图2A和图2B示出了根据一些实施例的光转向系统的示例。

图3A至图3E示出了根据一些实施例的镜组件及其操作的示例。

图4示出了根据一些实施例的图3A至图3E中的镜组件提供二维视场(FOV)的操作的示例。

图5A和图5B示出了根据一些实施例的镜组件的另一示例。

图6示出了根据一些实施例的镜组件的另一示例。

图7示出了根据一些实施例的镜组件的另一示例。

图8示出了根据一些实施例的镜组件的操作方法流程图。

图9示出了可以用于实现本文公开的技术的示例计算机系统。

具体实施方式

在以下描述中，将描述镜组件和光转向系统的各种示例。为了说明的目的，阐述了具体的配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在不公开每个细节的情况下实践或实施一些实施例。此外，可以省略或简化众所周知的特征，以防止混淆本文所述的新颖特征。

光转向可以在不同的应用中被发现。例如，车辆的光检测和测距模块可以包括光转向系统。光转向系统可以作为发射器的一部分以使光朝不同的方向转向，以检测车辆周围的障碍物并确定障碍物与车辆之间的距离，光转向系统可用于自动驾驶。此外，接收器还可以包括微镜阵列，以选择要由接收器检测的入射光的方向，以避免检测其他不想要的信号。此外，手动驾驶车辆的前灯可包括光转向系统，该光转向系统可被控制为将光聚焦在特定方向上，以提高驾驶员的视野。在另一个示例中，诸如内窥镜的光学诊断设备可以包括光转向系统，以在顺序扫描过程中将光沿不同方向转向到物体上，以获得用于诊断的物体图像。

光转向可以通过微镜阵列来实现。该微镜阵列可以具有微镜组件阵列，其中每个微镜组件具有可移动的微镜和一个驱动器(或多个驱动器)。微镜和驱动器可以在半导体基板上形成作为微机电系统，从而可以将微机电系统与半导体基板上的其他电路(例如控制器、接口电路等)集成在一起。在微镜组件中，微镜可通过连接结构(例如扭杆、弹簧等)被连接到半导体基板以形成枢轴。驱动器可以使微镜绕枢轴旋转，其中连接结构变形以适应旋转。微镜阵列可以接收入射光束，并且每个微镜可以以共同的旋转角度旋转，以使入射光束在目标方向上投射/转向。每个微镜可以绕两个正交轴旋转，以提供沿垂直方向的投射角度的第一范围和提供沿水平方向的投射角度的第二范围。投射角度的第一范围和第二范围可以限定二维视场(FOV)，在该FOV中光被投射以检测/扫描物体。FOV还可以确定由接收器检测到的物体反射的入射光的方向。

在一些实施例中，每个微镜组件可以包括单个微镜。单个微镜可以与一对驱动器耦合在万向节结构的框架上并且可绕第一轴旋转。万向架结构的框架还与半导体基板耦合并且可绕与第一轴正交的第二轴旋转。第一对驱动器可以使反射镜相对于框架绕第一轴旋转，以使光沿第一尺寸转向，而第二对驱动器可以使框架绕第二轴旋转，以使光沿第二尺寸转向。绕第一轴和第二轴的旋转角度的不同组合可以提供二维FOV，在该FOV中光被投射以检测/扫描物体。FOV还可以确定由接收器检测到的物体反射的入射光的方向。

尽管这样的布置允许光的投射形成二维FOV，但是可能存在许多潜在的缺点。首先，具有单个镜以提供光转向可能需要相对较高的驱动力来获得目标FOV和目标色散，这会降低可靠性。更具体地说，为了减小色散，可以使镜的尺寸与来自光源的光束的宽度相匹配，从而增加镜的质量和惯性。因此，需要更大的驱动力(例如，转矩)来旋转镜以实现目标FOV。通常所需的转矩是微米级的N-m。使驱动器受到较大的驱动力，特别是微机电系统的驱动器，会缩短使用寿命并降低驱动器的可靠性。此外，当光转向系统仅依靠单个镜使光转向时，微机电系统驱动器的可靠性可能会进一步降低，这可能会成为单点故障。

一些实施例的概念概述

本申请的示例涉及可以解决上述问题的光转向系统。光转向系统的各种实施例可以包括至少两个用于执行光转向的镜，例如下面关于图3A-图3E、图5A、图6和图7所示和所述的镜。光转向系统可用作发射器的一部分，以控制输出光的投射方向。光转向系统还可以用作接收器的一部分，以选择要由接收器检测的输入光的方向。光转向系统也可以用于同轴配置，使得光转向系统可以将输出光投射到一个位置并检测从该位置反射的光。

在一些实施例中，光转向系统可以包括光源、第一旋转镜、第二旋转镜和接收器。第一旋转镜和第二旋转镜可以确定由光源发射的光的输出投射路径，或者选择要由接收器接收的输入光的输入路径。第一旋转镜和第二旋转镜可以以分别与第一尺寸相关和与正交于第一尺寸的第二尺寸相关的不同角度旋转，以使输出投射路径或输入路径转向，从而形成二维FOV。

光转向系统可以进一步包括第一驱动器，其被配置为使第一旋转镜绕第一轴旋转；第二驱动器，其被配置为使第二旋转镜绕与第一轴正交的第二轴旋转；以及与第一驱动器和第二驱动器耦合的控制器。控制器可以控制第一驱动器和第二驱动器施加第一转矩和第二转矩，分别使第一旋转镜和第二旋转镜分别沿第一轴和第二轴旋转。控制器可以根据运动序列控制第一驱动器和第二驱动器以与第一尺寸相关和与第二尺寸相关的不同角度使输出投射路径或输入路径转向，例如下面参照图4和图5B示出和描述的那些，以创建二维FOV。

在一些实施例中，第一旋转镜和第二旋转镜可以布置在半导体基板的同一表面上，如图3A所示。光转向系统还可以包括一个固定的第三镜，该第三镜堆叠在半导体基板的顶部并朝向半导体基板的表面。如图3B所示，来自光源的光或来自环境的输入光可以被第一旋转镜反射，该第一旋转镜可以设置光的输出投射路径与第一尺寸相关(例如x轴或y轴)的第一角度。由第一旋转镜反射的光可以到达第三镜，该第三镜可以将光反射到第二旋转镜。第二旋转镜可以设置输出投射路径或输入路径与第二尺寸相关(例如，图4D的z轴)的角度。通过旋转第一旋转镜和第二旋转镜以形成FOV，可以获得第一角度和第二角度的不同值。

在一些实施例中，如图3A所示，光转向系统可以包括第一镜阵列和可绕第二轴旋转的单个第二旋转镜。第一镜阵列包括第一旋转镜，阵列的每个旋转镜可绕第一轴旋转。在一些实施例中，如图5A所示，光转向系统还可以包括单个第一旋转镜和第二旋转镜阵列，第二旋转镜阵列中的每个旋转镜可绕第二轴旋转。在一些实施例中，如图6所示，光转向系统还可以包括第一旋转镜阵列和第二旋转镜阵列。第一旋转镜阵列可以绕第一轴旋转。而且，第二旋转镜阵列可以绕第二轴旋转。

在一些实施例中，第一旋转镜和第二旋转镜可以布置在两个不同的半导体基板上，如下图7所示和所述。第一旋转镜可以布置在第一半导体的第一表面上，而第二旋转镜可以布置在第二半导体的第二表面上，第一表面朝向第二表面。来自光源的光可以被第一旋转镜反射，该旋转镜可以设置输出投射路径或输入路径与第一尺寸相关(例如，x轴或y轴)的第一角度。第一旋转镜反射的光可以到达第二旋转镜，第二旋转镜可以绕第二轴旋转，以设置输出投射路径或输入路径与第二尺寸相关(例如，z轴)的第二角度。

与光转向系统使用具有两个旋转轴的单个镜提供两个投射或输入的角度范围以形成FOV的布置相比，本申请的一些实施例可以使用第一旋转镜和第二旋转镜(或第一旋转镜阵列和第二旋转镜)，其中每个旋转镜具有单个但正交的旋转轴，以提供形成FOV的两个角度范围。这样的布置可以提高可靠性(尤其是在镜是微机电系统器件的情况下)和精度，并且可以降低驱动功率，同时提供相同或更好的FOV和色散。首先，通过使用两个镜提供两个角度范围以提供与单个镜相同的FOV，有些镜可以比单个镜小，并且其旋转所需的驱动力比单个镜小。两个不同镜的驱动还可以进行独立优化，以进一步减小总驱动力。驱动力的减小也可以减轻驱动器的负担并延长驱动器的寿命。而且，由于镜较小，响应于相同的驱动力，本申请的实施例可以提供比单个镜实施例更大的FOV。本申请的实施例中的镜可以被配置为提供与单个镜相同的镜表面积和提供与单个镜相同的色散。另外，在至少两个镜参与光转向的情况下，任何镜成为单一故障源的可能性可以减小，这可以进一步提高可靠性。与传统的实现方式相比，所有这些都可以改善光转向系统在常规实现上的鲁棒性和性能。

一些实施例的典型系统环境

图1示出了其中可以实现所公开的技术的自主车辆100。自主车辆100包括LiDAR模块102。LiDAR模块102允许自主车辆100在周围环境中执行物体检测和测距。基于物体检测和测距的结果，自主车辆100可以进行移动以避免与物体碰撞。LiDAR模块102可以包括光转向系统104和接收器106。光转向系统104可以在任何合适的扫描模式下，在不同的时间在不同的方向上投射一个或以上光信号108，而接收器106可以监测物体反射光信号108所生成的光信号110。光信号108和110可以包括例如光脉冲、调频连续波(FMCW)信号、调幅连续波(AMCW)信号等。基于光信号110的接收LiDAR模块102可以检测物体，并且基于光信号108和110之间的时间差可以执行测距确定(例如，物体的距离)。例如，如图1所示，LiDAR模块102可以在时间T1处在自主车辆100正前方的方向上发射光信号108，并在时间T2处接收由物体112(例如，另一车辆)反射的光信号110。基于光信号110的接收，LiDAR模块102可以确定物体112在自主车辆100的正前方。此外，基于T1与T2之间的时间差，LiDAR模块102还可以确定自主车辆100与物体112之间的距离114。基于LiDAR模块102对物体112的检测和测距，自主车辆100可以来调整其速度(例如，减速或停止)以避免与物体112碰撞。

图2A和图2B示出了LiDAR模块102的内部组件的示例。LiDAR模块102包括发射器202、接收器204、LiDAR控制器206，该LiDAR控制器206控制发射器202和接收器204的操作。发射器202包括光源208和准直器透镜210，而接收器204包括透镜214和光电探测器216。LiDAR模块102还包括镜组件212和分束器213。在LiDAR模块102中，发射器202和接收器204可以被配置为同轴系统来共享镜组件212以执行光转向操作，其中分束器213被配置为将镜组件212反射的入射光反射到接收器204。

图2A示出了光投射操作。为了投射光，LiDAR控制器206可以控制光源208(例如，脉冲激光二极管、FMCW信号的源、AMCW信号等)发射作为光束218的一部分的光信号108。光束218离开光源208时可以分散，并且可以由准直器透镜210转换为准直光束218。

准直光束218可以入射到镜组件212上，镜组件212可以将光束沿着输出投射路径219朝着物体112反射和转向。镜组件212可以包括一个或以上旋转镜。图2A示出了具有一个反射镜的镜组件212，但是如下面所描述的，在一些实施例中，镜组件212可以包括至少两个反射镜。

光束218在离开镜组件212的镜面的表面时可以分散。光束218可以在反射镜表面的长度和宽度上相对于投射路径219形成分散角。光束218的分散角可通过以下公式给出：

在式1中，α是分散角，λ是光束218的波长，而D是镜面的长度(或宽度)。光束218可以沿镜面的长度(L)相对于投射路径219以分散角α_L分散，并且沿镜面的宽度(W)相对于投射路径219以分散角α_W分散。期望减小分散角以将光束功率聚焦在投射路径219上，从而提高物体检测、测距和成像的分辨率。为了减小色散角，可以增加镜面的长度和宽度D以与孔径220匹配。

镜组件212还包括一个或以上驱动器(图2A中未示出)以使旋转镜旋转。驱动器可以使旋转镜绕第一轴222旋转，并且可以使旋转镜沿第二轴226旋转。如以下更详细描述的，绕第一轴222的旋转可以改变输出投射路径219与第一尺寸(例如，x轴)相关的第一角度224，而围绕第二轴226的旋转可以改变输出投射路径219与第二尺寸相关(例如z轴)的第二角度228。LiDAR控制器206可以控制驱动器以产生绕第一轴222和第二轴226的旋转角度的不同组合，使得输出投射路径219的运动可以遵循扫描模式232。输出投射路径219沿x轴的运动范围234以及输出投射路径219沿z轴的运动范围238可以确定FOV。FOV中的一个物体，例如物体112，可以接收并反射准直光束218以形成反射光信号，该光信号可以被接收器204接收。

图2B示出了光检测操作。LiDAR控制器206可以选择入射光方向239以由接收器204检测入射光。该选择可以是基于设置镜组件212的旋转镜的旋转角度来进行的，使得仅沿光方向239传播的光束220被反射到分束器213，然后分束器213可以通过准直器透镜214将光束220转移到光电探测器216。通过这样的布置，接收器204可以选择性地接收与物体112的测距/成像有关的信号，例如由物体112对准直光束218的反射生成的光信号110，并且不接收其他信号。因此，环境干扰对物体的测距/成像的影响可以减小，并且系统性能可以提高。

镜组件的示例

图3A至图3E示出了根据本申请的实施例的镜组件300的示例。镜组件300可以是光转向系统202的一部分。图3A示出了镜组件300的俯视图，图3B示出了镜组件300的透视图，而图3C示出了镜组件300的侧视图。如图3A所示，镜组件300可包括第一旋转镜阵列302、第二旋转镜304和固定镜306。第一旋转镜阵列302的总镜表面积与第二旋转镜304和固定镜306的镜表面积相同。第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304可以是在半导体基板310的表面308上实现的微机电系统器件。固定镜306可位于半导体基板310上方。在一些实施例中，固定镜306可以被包括在与半导体基板310相同的集成电路封装中以形成集成电路。在一些实施例中，固定镜306也可以位于容纳半导体基板310的集成电路封装的外部。

参照图3B和图3C，在一种配置中，第一旋转镜阵列302可以接收来自准直器透镜210的准直光束218，将光束218朝向固定镜306反射，固定镜306可以将光束218朝向第二旋转镜304反射。第二旋转镜304可以反射从固定镜306接收到的光束218以此作为沿输出投射路径219的输出。在另一种配置中(图中未示出)，第二旋转镜304可以从准直器透镜210接收准直的光束218，并且将光束218朝向固定镜306反射，固定镜306可以将光束218朝向第一旋转镜阵列302反射。第一旋转镜阵列302可以将光束218反射以此作为沿输出投射路径219的输出。在镜组件300是接收器的一部分的情况下，第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304还可以类似于选择输出投射路径219的方向为接收器204选择入射光方向239。如以下进一步详细描述，第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304改变输出投射路径219分别相对于x轴和z轴的角度，以形成二维FOV。

如上所述，第一旋转镜阵列302的总镜表面积与第二旋转镜304和固定镜306的镜表面积相同。此外，由第一旋转镜阵列302、第二旋转镜304和固定镜306中的每一个旋转镜提供的镜表面积的每个尺寸(例如，长度和宽度)可以与准直器透镜210的孔径220匹配。通过这样的布置，第一旋转镜阵列302、第二旋转镜304和固定镜306中的每一个旋转镜都可以接收并反射准直光束218的大部分。

此外，如图3C所示，固定镜306和(包括第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304的表面308之间的间距，表示为d1，以及第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304的中心点之间的间距d2，可以与准直光束218相对于z轴的入射角θ有关，如下所示：

在式2中，d2的一半(第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304的中心点之间的距离)与d1的一半(固定镜306和表面308之间的距离)之间的比率可以通过将切线函数应用于准直光束218的入射角θ来确定。

再次参考图3A，第一旋转镜302阵列中的每个旋转镜(例如，第一旋转镜302a)可绕第一轴314旋转，而第二旋转镜304可以绕与第一轴314正交的第二轴316旋转。第一旋转镜302阵列中的每个旋转镜以及第二旋转镜304都与一对旋转驱动器，如梳状驱动器、压电装置、电磁装置等耦合以使反射镜旋转。例如，第一旋转镜302a与旋转驱动器322a和322b耦合，而第二旋转镜304与旋转驱动器324a和324b耦合。第一旋转镜302a(以及第一旋转镜阵列302的其余旋转镜)和第二旋转镜304中的每一个都可以分别沿着x轴和z轴独立地移动输出投射路径219，以形成FOV。

图3D示出了基于第一旋转镜302a的旋转运动来设置输出投射路径219相对于x轴的角度的示例。图3D示出了具有第一轴314、固定镜306和第二旋转镜304的旋转镜302a的侧视图。第一轴314与y轴对准。虚线示出了旋转前的第一旋转镜302a的方向和第一旋转镜302a的法向量330，实线示出了逆时针旋转后的第一旋转镜302a的方向和法向量330。随着第一旋转镜302a逆时针旋转，第一旋转镜302a的法向量330也逆时针旋转，并且准直光束218相对于旋转的法向量330的入射角332减小。由于准直光束218的反射角334等于入射角332，因此反射光束218也会逆时针旋转并以增大的角度336射在固定镜306上。光束218也以相同的角度336从固定镜306朝向第二旋转镜304反射，第二旋转镜304可以沿着输出投射路径219或输入路径239反射光束218，该输入路径239也与x轴形成角度336。第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜可以被控制绕第一轴314沿相同的方向(顺时针或逆时针)旋转相同角度，以至于该阵列可以共同设置准直光束218的输出投射路径219或入射光方向239，以形成相对于x轴的角度336。

图3E示出了基于第二旋转镜304的旋转运动输出投射路径219的运动的示例。图3E是第二旋转镜304的侧视图，其中第二轴316指向纸外。虚线示出了旋转之前第二旋转镜304的方向和第二旋转镜304的法向量340，而实线示出了逆时针旋转之后第二旋转镜304的方向和法向量340。随着第二旋转镜304逆时针旋转，第二旋转镜304的法向量340也逆时针旋转，并且准直光束218相对于旋转的法向量340的入射角342减小。由于准直光束218的反射角344等于入射角342，所以反射光束218的输出投射路径219沿着z轴移动距离d4，如箭头所示。结合第一旋转镜302a的旋转，输出投射路径219可以沿x轴和z轴移动，从而形成二维FOV。可以理解，入射光方向239也可以基于第二旋转镜304的旋转运动以与输出投射路径219类似的方式来调整。

图4示出了镜组件300提供二维FOV的示例操作。图4顶部的图示出了由第一旋转镜阵列302和第二旋转镜304的旋转提供的输出投射路径219的角度的运动序列400。如图4所示，LiDAR控制器206可以控制旋转驱动器324a和324b旋转第二旋转镜304，以设置输出投射路径219相对于z轴的不同角度，例如，由点402和点404表示的角度，在第一角度范围406内。LiDAR控制器206还可以控制第一旋转镜阵列302的旋转驱动器(例如，旋转驱动器322a和322b)设置输出投射路径219相对于x轴的不同角度，例如，以点412和点414表示的角度，以提供第二角度范围416，这两个角度范围可以确定FOV。

图4底部的图示出了相对于时间的控制信号序列430，以生成输出投射路径219的运动序列400。在一些实施例中，运动序列400可以被提供给LiDAR控制器206，LiDAR控制器206可以基于运动序列400生成控制信号序列430。控制信号序列430包括用于第二旋转镜304的旋转驱动器的控制信号的第一尺寸控制信号序列432、434、436等，以改变输出投射路径219(或入射光方向239)与第一尺寸相关(例如，z轴)的角度。控制信号序列430还包括在两个第一尺寸控制信号序列之间的第二尺寸控制信号。例如，在第一尺寸控制信号序列432和434之间存在第二尺寸控制信号440。此外，在第一尺寸控制信号序列434和436之间存在第二尺寸控制信号442。第二尺寸控制信号用于第一旋转镜阵列302的旋转驱动器，以改变输出投射路径219(或入射光方向239)与第二尺寸相关(例如，x轴)的角度。

控制信号序列432、434、436等中的每个控制信号都可以使第二旋转镜304的旋转驱动器产生一个转矩力，以增大第二旋转镜304绕第二轴316的旋转角度。例如，第一尺寸控制信号432a可以对应于点402，而第一尺寸控制信号432b可以对应于点404。第一尺寸控制信号序列432、434和436中的每一个都可以通过控制第二旋转镜的旋转角度，使输出投射路径219(或入射光方向239)相对于z轴的角度在第一角度范围406各处。在第一角度范围406的末端，可以提供第二尺寸控制信号以在下一第一尺寸控制信号序列开始之前改变投射路径219(或入射光方向239)相对于x轴的角度。例如，第一尺寸控制信号432n对应于在第一角度范围406的末端的点412。在第一尺寸控制信号432b之后是第二尺寸控制信号440，第二尺寸控制信号440b可以旋转第一旋转镜阵列302，将输出投射路径219(或入射光方向239)沿x轴从点412移到点414。在第二尺寸控制信号440后，第一尺寸控制信号序列434开始，并且第一尺寸控制信号434a可以旋转第二旋转镜304，将输出投射路径219(或入射光方向239)相对于z轴的角度从点414表示的角度移动到点418所表示的角度，同时相对于x轴的角度保持恒定。

在一些实施例中，第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号可以被独立地优化以减小总驱动力和功率。例如，第一尺寸控制信号可以以接近第二旋转镜304的固有频率的较高频率被提供给旋转驱动器，以引起反射镜的谐波共振。这样的布置允许使用较小的转矩来旋转第二旋转镜304，这是有利的，因为第二旋转镜304可以是镜组件300内的最大反射镜并且具有相当大的质量和惯性。另一方面，可以将第二尺寸控制信号以相对较低的频率提供给旋转驱动器，以将第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜作为准静态负载进行操作。由于反射镜较小并且具有较小的质量和惯性，因此旋转第一旋转镜阵列302的反射镜所需的转矩相对较低。在一些实施例中，第一尺寸控制信号可以是高频正弦波信号、脉宽调制(PWM)信号等形式，而第二尺寸控制信号可以是低频锯齿信号形式。

在一些实施例中，除了运动序列400，反馈机制还可以被提供给LiDAR控制器206以生成控制信号序列430。反馈机制包括一组传感器(例如，电容传感器)，用于测量旋转驱动器的实际旋转角度。基于监测旋转驱动器的实际旋转角度，反馈机制LiDAR控制器206能够调整提供给旋转驱动器的第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号，以提高光转向操作的精度。该调整可以被执行以对例如反射镜质量的不确定性和不匹配、旋转式驱动的驱动强度等进行补偿。

作为示例，LiDAR控制器206可以按校准顺序执行第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号的调整。LiDAR控制器206可基于一组反射镜的预期质量和旋转驱动器的驱动强度来存储用于第一尺寸和第二尺寸控制信号的一组初始设置(例如，电压、电流等)。在校准过程中，LiDAR控制器206可以提供不同的第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号以在旋转驱动器处创建不同的旋转角度。当提供第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号时，LiDAR控制器206可以监测旋转驱动器的实际旋转角度，将实际旋转角度与目标旋转角度进行比较以确定差值，并调整第一尺寸控制信号和第二尺寸控制信号以解决差值。例如，第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜应该以相同的旋转角度旋转。LiDAR控制器206可以使用电容传感器测量第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜的实际旋转角度，并且确定每个实际角度与每个旋转镜的目标旋转角度的偏差。LiDAR控制器206可以基于偏差来调整每个旋转镜的旋转驱动器(例如，旋转驱动器322a和322b)的第二尺寸控制信号，以确保每个旋转镜以相同的目标旋转角度旋转。

与单个镜组件相比，镜组件300可以提供相同或更好的的FOV和色散性能，同时降低了驱动力和功率，并提高了可靠性。首先，第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜都比具有可比的长度和宽度以及色散性能的单个反射镜小得多，即使这些反射镜是作为准静态负载驱动的。因此，第一旋转镜阵列302中的每个旋转镜实质上需要较小的转矩以提供与单个镜组件相同的FOV。此外，尽管第二旋转镜304的镜表面积与单个反射镜布置的面积相似，但是通过以接近固有频率的频率驱动第二旋转镜304以引起谐波谐振，可以大大减小第二旋转镜304旋转所需的转矩。这样的安排可以大幅度降低所需转矩以实现目标FOV。转矩的减小还减轻了旋转驱动器的负担，并延长了其使用寿命。另外，由于至少两个反射镜都参与光的转向，因此任何一个反射镜成为单一故障源的可能性可以被降低，这可以进一步提高可靠性。

图5A示出了根据本申请的实施例的镜组件500的另一示例。镜组件500可以是光转向系统202的一部分。如图5A所示，镜组件500可包括第一旋转镜502、第二旋转镜阵列504和固定镜306。第一旋转镜502、第二旋转镜阵列504和固定镜306中的每一个可以具有基本相同的镜表面积，并且可以具有与透镜210的孔径220匹配的尺寸，如在上述其他示例中那样。第一旋转镜502、第二旋转镜阵列504可以是在半导体基板510的表面508上实现的微机电系统器件。固定镜306可位于半导体基板510上方。第一旋转镜502可以接收来自透镜210的准直光束218，将准直光束218朝向固定镜306反射，其可以依次将准直光束218朝向第二旋转镜阵列504反射。第二旋转镜阵列504可以将从固定镜306接收的准直光束218反射作为沿着输出投射路径219的输出。第一旋转镜502可以绕着第一轴514旋转，而第二旋转镜阵列504中的每个旋转镜都可以绕着与第一轴514正交的第二轴516旋转。就像图3A的第一旋转镜阵列302一样，第一旋转镜502的旋转可以设置为输出投射路径219(或入射光方向239)相对于x轴的角度，而第二旋转镜阵列504的旋转可以设置为输出投射路径219相对于z轴的角度(或入射光方向239)。

第一旋转镜502和第二旋转镜阵列504可以分别独立地改变输出投射路径219(或入射光方向239)相对于x轴和z轴的角度，以形成二维FOV。可以基于图5B的运动序列550来控制第一旋转镜502和第二旋转镜阵列504的旋转。第一旋转镜502可以由第一尺寸控制信号进行控制，以使输出投射路径219(或入射光方向239)沿x轴在移动范围552内移动，而第二旋转镜阵列504可以通过第二尺寸控制信号进行控制，以使投射路径在移动范围554内沿z轴移动。与图4中描述的配置类似，可以以接近第一旋转镜502固有频率的相对较高的频率提供第一尺寸控制信号，以引起谐波谐振；然而，可以以较低的频率提供第二尺寸控制信号，以将第二旋转镜阵列504中的每一个旋转镜作为准静态负载驱动。

在一些示例中，镜组件可以包括两个旋转镜阵列，以沿着第一尺寸(例如，x轴)和第二尺寸(例如，z轴)执行光转向。图6示出了镜组件600的示例，该镜组件600包括在半导体基板610的表面608上的图3A的第一旋转镜阵列302和图5A的第二旋转镜阵列504。镜组件600还包括位于半导体基板610上方的固定镜306。第一旋转镜阵列302可绕第一轴314旋转，而第二旋转镜阵列504可绕与第一轴314正交的第二轴516旋转。第一旋转镜阵列302和第二旋转镜阵列504可以分别独立地改变输出投射路径219相对于x轴和z轴的角度，以形成二维FOV，如上所述。

图7示出了根据本申请的实施例的镜组件700的另一示例。镜组件700可以是光转向系统202的一部分。图7的顶视图示出了镜组件700的俯视图，而图7的底视图示出了镜组件700的透视图。如图7所示，镜组件700可以包括第一旋转镜阵列302、第二旋转镜704和可以固定或可旋转的可选反射镜706。第一旋转镜阵列302和反射镜706可以被实现为第一半导体基板710的表面708，而第二旋转镜704可以在第二半导体基板(图7中未显示)上实现，并朝向第一旋转镜阵列302和反射镜706。第一旋转镜阵列302、第二旋转镜704和反射镜706中的每一个可以具有基本相同的镜表面面积，该镜表面面积具有与透镜210的孔径220匹配的每个尺寸，如上述其他示例中所述。第一旋转镜阵列302可接收准直光束218(或反射光束220)，并将光向第二旋转镜704反射，第二旋转镜704可将来自第一旋转镜阵列302的光向反射镜706反射。反射镜706可以反射从第二旋转镜704接收的光作为沿着输出投射路径219的输出。反射镜706还可将输入光向第二旋转镜704反射，并且仅沿着入射光方向239传播的光将被反射到第一旋转镜阵列302。第一旋转镜阵列302可绕着第一轴314旋转，而第二旋转镜704可绕着与第一轴314正交的第二轴724旋转。第一旋转镜阵列302的每个旋转镜的旋转可以设置为输出投射路径219(或入射光方向239)相对于x轴的角度，而第二旋转镜704的旋转可以设置为输出投射路径219(或入射光方向239)相对于z轴的角度。反射镜706可以是固定的或可以是可旋转的，以允许进一步调整输出投射路径219的方向(或入射光方向239)。

图8示出了用于使用诸如图3A至图7的镜组件300、500、600和700之类的镜组件执行光转向操作的方法800的简化流程图。镜组件包括第一旋转镜阵列(例如，第一旋转镜阵列302、第二旋转镜阵列504等)和第二旋转镜(例如，第二旋转镜304、第一旋转镜502、第二旋转镜704等)。第一旋转镜阵列和第二旋转镜可以是微机电系统的一部分。方法800可以由诸如LiDAR控制器206的控制器执行。

在操作802处，控制器确定光路的第一角度和第二角度，所述光路是用于输出光的投射路径或输入光的输入路径之一，所述第一角度与第一尺寸相关，所述第二角度与所述第一尺寸正交的第二尺寸相关。根据扫描模式(例如，运动序列400)在图4的角度范围416内可以设置第一角度。根据扫描模式(例如，运动序列400)在图4的角度范围406内可以设置第二角度。

在操作804处，控制器控制第一驱动器阵列以旋转微机电系统的第一旋转镜阵列以设置第一角度。控制器可以控制第一驱动器阵列向作为准静态负载的第一旋转镜阵列的每个旋转镜施加转矩。

在操作806处，控制器控制微机电系统的第二驱动器旋转第二旋转镜以设置第二角度。控制器可以控制第二驱动器向第二旋转镜施加转矩，以引起反射镜的谐波共振，以减小所需的转矩。

在操作808处，通过将第一旋转镜阵列设置为第一角度，将第二旋转镜设置为第二角度，控制器使用第一旋转镜阵列和第二旋转镜执行以下至少一项操作：将来自光源的输出光沿着投射路径反射到物体上，或将沿着输入路径传播的输入光反射到接收器。例如，控制器可以控制光源以将包括光信号的光束投射到镜组件。光源可以包括脉冲激光二极管、FMCW信号源、AMCW信号源等。控制器还可以使用第一旋转镜阵列和第二旋转镜将由远处物体反射的输入光信号引导到接收器，而不将在其他方向接收的光信号引导到接收器。

计算机系统

本文提到的任何计算机系统都可以利用任何合适数量的子系统。这样的子系统的示例在计算机系统10中的图9中显示。在一些实施例中，计算机系统包括单个计算机装置，其中子系统可以是计算机装置的组件。在其他实施例中，计算机系统可以包括多个计算机装置，每个计算机装置都是子系统，具有内部组件。计算机系统可以包括台式计算机和膝上型计算机、平板电脑、移动电话和其他移动设备。在一些实施例中，云基础设施(例如AmazonWeb Services)、图形处理单元(GPU)等可以实现所公开的技术，包括图1至图8中描述的技术。例如，计算机系统10可以实现LiDAR控制器206的功能并执行方法800的操作。

图9所示的子系统通过系统总线75互连。示出了附加的子系统，例如打印机74、键盘78、存储设备79、监视器76，其耦合到显示适配器82，以及其他子系统。连接至I/O控制器71的***设备和输入/输出(I/O)设备可以通过本领域已知的任何数量的方式连接到计算机系统，例如输入/输出(I/O)端口77(例如，USB、)。例如，I/O端口77或外部接口81(例如以太网、Wi-Fi等)可用于将计算机系统10连接到广域网，例如Internet、鼠标输入设备或扫描仪。经由系统总线75的互连允许中央处理器73与每个子系统通信并控制来自系统内存72或存储设备79(例如，固定磁盘，例如硬盘驱动器或光盘)的至少两个指令的执行，以及子系统之间的信息交换。系统内存72和/或存储设备79可以体现为计算机一体媒体。另一个子系统是数据收集设备85，例如照相机、麦克风、加速度计等。本文提到的任何数据都可以从一个组件输出到另一组件，并可以输出到用户。

计算机系统可以包括至少两个相同的组件或子系统，例如，通过外部接口81或内部接口连接在一起。在一些实施例中，计算机系统、子系统或装置可以通过网络进行通信。在这种情况下，一台计算机可以被视为客户端，另一台计算机可以被视为服务器，其中每台计算机都可以被视为同一计算机系统的一部分。客户端和服务器可以各自包含多个系统、子系统或组件。

实施例的各方面可以使用硬件(例如，专用集成电路或现场可编程门阵列)和/或使用具有一般可编程处理器的计算机软件以模块化或集成方式以控制逻辑的形式来实现。如本文所使用的，处理器包括单核处理器、同一集成芯片上的多核处理器，或单电路板上或联网的多个处理单元。基于本文中提供的本申请和教导，本领域普通技术人员将知道并理解使用硬件以及硬件和软件的组合来实现本发明的实施例的其他方式和/或方法。

本申请中描述的任何软件组件或功能都可以实现为将由处理器使用任何合适的计算机语言(例如，例如，Java、C、C++、C#、Objective-C、Swift或使用常规或面向对象技术的脚本语言(例如Perl或Python)。可以将软件代码作为一系列指令或命令存储在计算机可读介质上，以进行存储和/或发送。合适的非暂时性计算机随机介体可以包括随机存取内存(RAM)、只读内存(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘之类的磁性介质，或者诸如光盘(CD)或DVD(数字通用磁盘)、闪存等的光学介质。计算机弹性介质可以是这种存储或发送设备的任何组合。

也可以使用载波信号对此类程序进行编码和发送，该载波信号适于经由符合包括因特网的各种协议的有线，光学和/或无线网络进行发射。这样，可以使用用这样的程序编码的数据信号来创建计算机可读介质。用程序代码编码的计算机可读介质可以与兼容设备打包在一起，也可以与其他设备分开提供(例如，通过Internet下载)。任何此类计算机干涉介质都可以驻留在单个计算机产品(例如，硬盘驱动器、CD或整个计算机系统)上或内部，并且可以存在于系统或网络内的不同计算机产品上或内部。计算机系统可以包括监视器、打印机或其他合适的显示器，用于向用户提供本文提到的任何结果。

本文描述的任何方法可以完全或部分地由包括一个或多个处理器的计算机系统执行，该处理器可以被配置为执行这些步骤。因此，实施例可以涉及被配置为执行本文描述的任何方法的步骤的计算机系统，潜在地具有执行相应步骤或相应步骤组的不同组件。尽管以编号的步骤表示，但是本文的方法的步骤可以同时或以不同顺序执行。另外，这些步骤的一部分可以与来自其他方法的其他步骤的一部分一起使用。而且，步骤的全部或部分可以是可选的。另外，任何方法的任何步骤都可以用用于执行这些步骤的模块、单元、电路或其他装置来执行。

其他变化也在本申请的精神内。因此，尽管所公开的技术易于进行各种修改和替代构造，但是其某些示出的实施例在附图中示出并且已经在上面进行了详细描述。但是，应该理解，无意将本申请限制为所披露的一种或多种特定形式，但是相反，其意图是涵盖落入所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围内的所有修改，替代构造和等同形式。例如，任何实施例、替代实施例等及其概念可以是描述的和/或在本申请的精神和范围内的任何其他实施例。

在描述所公开的实施例的上下文中(尤其是在所附权利要求的上下文中)术语“一个”和“一种”和类似指代的使用应解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“含有”和“包含”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)。术语“连接”应理解为部分或全部包含在，附加到或连接在一起，即使存在某种介入。短语“基于”应理解为开放式的，而不以任何方式进行限制，并且在适当的情况下应解释为或以其他方式解读为“至少部分基于”。除非另有说明，否则本文中数值范围的引用仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独值并入说明书中，如同其在本文中被单独引用一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本申请的实施例，并且除非另外要求，否则不构成对本申请范围的限制。说明书中的任何语言都不应解释为表明任何未要求保护的要素对实施本申请至关重要。