大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置，大视场激光光束扫描系统包括：平面微透镜阵列，具有第一介质衬底和阵列形成在第一介质衬底入射面上的若干组第一介质结构，形成若干组平面微透镜；平面二次相位透镜，具有第二介质衬底和形成在第二介质衬底出射面上的第二介质结构，第二介质结构和第一介质结构为亚波长结构，平面二次相位透镜与平面微透镜阵列匹配实现入射光的调制并产生出射方向不同且覆盖大视场的若干束阵列出射光束；微驱动器，与平面二次相位透镜连接并驱动其在垂直于其光轴的平面内以设定幅度振动，同时使若干束阵列出射光束同步在小视场内连续扫描。本发明专利技术质量轻、易集成、尺寸紧凑、视场大且扫描速度快。视场大且扫描速度快。视场大且扫描速度快。

【技术实现步骤摘要】
大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置


[0001]本专利技术属于激光雷达
，更具体地，涉及一种基于平面亚波长结构的大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置。

技术介绍

[0002]激光雷达可以精确采集目标的距离和速度信息，并且可以实现目标探测与成像，因此在智能交通、无人机避障、智慧家庭、卫星测绘与导航等领域具有良好的应用前景。激光光束扫描系统作为激光雷达的核心部件，对激光雷达的性能起着至关重要的作用。
[0003]目前，激光光束扫描器件的原理可以分为两大类：机械式激光光束扫描和固态激光光束扫描。机械式激光光束扫描采用机械旋转部件作为光束扫描的实现方式，可以实现大角度扫描，但是装配困难、扫描频率低。固态激光光束扫描当前的实现方式有微机电系统(MEMS)、光学相控阵技术(OPA)等。其中，MEMS采用微扫描振镜，达到了一定的集成度，但是扫描视场仍受限于振镜的偏转范围；OPA扫描技术是基于微波相控阵扫描理论和技术发展起来的新型光束指向控制技术，具有无惯性器件、精确稳定、方向可任意控制等优点，但是由于其相位调控单元周期较大，导致光束扫描视场较小。
[0004]基于以上需求背景和技术现状可知，当前大功率、大扫描角度、高分辨力等高性能参数的全固态、小型化激光光束扫描系统的实现仍然需要进一步的研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
[0006]为此，本专利技术的一方面提供了大视场激光光束扫描系统，包括：
[0007]平面微透镜阵列，具有第一介质衬底和阵列形成在第一介质衬底入射面上的若干组第一介质结构，形成若干组平面微透镜；
[0008]平面二次相位透镜，具有第二介质衬底和形成在第二介质衬底出射面上的第二介质结构，所述第二介质结构和第一介质结构为亚波长结构，所述平面二次相位透镜与所述平面微透镜阵列匹配实现入射光的调制并产生出射方向不同且覆盖大视场的若干束阵列出射光束；
[0009]微驱动器，与所述平面二次相位透镜连接并驱动其在垂直于其光轴的平面内以设定幅度振动，同时使所述若干束阵列出射光束同步在小视场内连续扫描。
[0010]进一步地，所述平面二次相位透镜振动的设定幅度在所述一个平面微透镜阵列周期P内，能够使得所述若干束阵列出射光束无死角覆盖整个2π视场。
[0011]进一步地，所述入射光为平行激光光束或发散激光光束，所述平面微透镜阵列能够调制所述入射光并产生若干组阵列点源，所述平面二次相位透镜能够调制位于平面二次相位透镜焦平面上的所述若干组阵列点源的光并产生所述若干束阵列出射光束。
[0012]进一步地，所述第一介质衬底由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，所述第一介
质衬底的厚度为t1且t1≥10λ，所述第一介质衬底的直径或最小特征长度为D1且D1≥MP；
[0013]所述第二介质衬底由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，所述第二介质衬底的厚度为t2且t2≥10λ，所述第二介质衬底的直径或最小特征长度为D2且D2≥MP+d；
[0014]其中，d为出射光束的直径，θ
max
为出射光束的最大出射角，f2为平面二次相位透镜的焦距且f2＝MP/2sinθ
max
，M为平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数，P为平面微透镜阵列的周期，P≥10λ且λ为入射光的波长，平面微透镜阵列的焦距f1≈Pf2/d。
[0015]进一步地，所述第一介质结构为能够实现任意波前调控的亚波长结构并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，所述第一介质结构整体呈圆形、四边形或八边形并且以四边形排布或六边形排布的方式阵列排布在所述第一介质衬底的入射面上，所述第一介质结构的亚波长结构为沿着轴对称的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列，以实现偏振无关响应；
[0016]所述第二介质结构与第一介质结构的亚波长结构相同或不相同并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，所述第二介质结构的亚波长结构为轴对称的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列；
[0017]其中，所述亚波长结构的排列周期为L且λ/6≤L≤λ，高度为h且λ/6≤h≤2λ，结构宽度为a且0＜a≤L，λ为入射光的波长。
[0018]进一步地，以平面二次相位透镜的光轴所在方向为z轴方向，以垂直于所述光轴的平面为包括互相垂直的x轴和y轴的xy平面，所述若干束阵列出射光束中任一出射光束的出射角为(θ，β)，其中，θ为出射光束与平面二次相位透镜的光轴之间的夹角，β为出射光束在xy平面的投影与x轴方向的夹角，f2为平面二次相位透镜的焦距，S
X
和S
Y
分别为S的x轴分量和y轴分量，S为平面二次相位透镜的光轴与所述任一出射光束对应平面微透镜的光轴之间的距离。
[0019]进一步地，所述大视场实现覆盖
‑
90
°
～90
°
的出射范围，任一出射光束对应的小视场覆盖arcsin[(S
‑
|A|)/f2]～arcsin[(S+|A|)/f2]的扫描范围；
[0020]所述微驱动器为压电微驱动器、MEMS微驱动器、磁力微驱动器或微马达，所述微驱动器的执行力F＝mAω2sin(ωt)，其中，m为所述平面二次相位透镜的质量，ω为微驱动器的执行速度，A为微驱动器的执行位移且
‑
P/2≤A≤P/2，S为平面二次相位透镜的光轴与所述任一出射光束对应平面微透镜的光轴之间的距离。
[0021]本专利技术的另一方面提供了上述大视场激光光束扫描系统的设计方法，包括以下步骤：
[0022]A、基于给定的平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数M和周期P、出射光束的直径d和出射光束的最大出射角θ
max
，计算得到平面微透镜阵列的焦距f1和第一介质衬底的直径或最小特征长度D1以及平面二次相位透镜的焦距f2和第二介质衬底的直径或最小特征长度D2；
[0023]B、给定入射光的波长λ，基于平面二次相位透镜的焦距f2得到平面二次相位透镜的相位分布确定所述平面二次相位透镜的第二介质衬底的材料和厚
度t2以及平面微透镜阵列的第一介质衬底的材料和厚度t1，其中，(x1，y1)为平面二次相位透镜上的位置坐标，k0＝2π/λ；
[0024]C、结合入射光特性并利用光线追踪法优化一组平面微透镜的相位分布其中，(x2，y2)为一组平面微透镜上的位置坐标，N≥5，a
i
为相位系数；
[0025]D、通过入射光的波长λ选择平面二次相位透镜的第二介质结构的材料和以及平面微透镜阵列的第一介质结构的材料，优化设计所述第二介质结构并得到第二介质结构的结构宽度a与相位的映射关系，在所述映射关系的基础上结合所述步骤B和步骤C得到的相位分布进行亚波长结构的结构和参数选择，得到平面二次相位透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大视场激光光束扫描系统，其特征在于，包括：平面微透镜阵列，具有第一介质衬底和阵列形成在第一介质衬底入射面上的若干组第一介质结构，形成若干组平面微透镜；平面二次相位透镜，具有第二介质衬底和形成在第二介质衬底出射面上的第二介质结构，所述第二介质结构和第一介质结构为亚波长结构，所述平面二次相位透镜与所述平面微透镜阵列匹配实现入射光的调制并产生出射方向不同且覆盖大视场的若干束阵列出射光束；微驱动器，与所述平面二次相位透镜连接并驱动其在垂直于其光轴的平面内以设定幅度振动，同时使所述若干束阵列出射光束同步在小视场内连续扫描。2.根据权利要求1所述的大视场激光光束扫描系统，其特征在于，所述平面二次相位透镜振动的设定幅度在所述一个平面微透镜阵列周期P内，能够使得所述若干束阵列出射光束无死角覆盖整个2π视场。3.根据权利要求1所述的大视场激光光束扫描系统，其特征在于，所述入射光为平行激光光束或发散激光光束，所述平面微透镜阵列能够调制所述入射光并产生若干组阵列点源，所述平面二次相位透镜能够调制位于平面二次相位透镜焦平面上的所述若干组阵列点源的光并产生所述若干束阵列出射光束。4.根据权利要求1所述的大视场激光光束扫描系统，其特征在于，所述第一介质衬底由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，所述第一介质衬底的厚度为t1且t1≥10λ，所述第一介质衬底的直径或最小特征长度为D1且D1≥MP；所述第二介质衬底由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，所述第二介质衬底的厚度为t2且t2≥10λ，所述第二介质衬底的直径或最小特征长度为D2且D2≥MP+d；其中，d为出射光束的直径，θ
max
为出射光束的最大出射角，f2为平面二次相位透镜的焦距且f2＝MP/2sinθ
max
，M为平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数，P为一个平面微透镜阵列周期，P≥10λ且λ为入射光的波长，平面微透镜阵列的焦距f1≈Pf2/d。5.根据权利要求1所述的大视场激光光束扫描系统，其特征在于，所述第一介质结构为能够实现任意波前调控的亚波长结构并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，所述第一介质结构整体呈圆形、四边形或八边形并且以四边形排布或六边形排布的方式阵列排布在所述第一介质衬底的入射面上，所述第一介质结构的亚波长结构为轴对称的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列，以实现偏振无关响应；所述第二介质结构与第一介质结构的亚波长结构相同或不相同并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，所述第二介质结构的亚波长结构为轴对称的的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列；其中，所述亚波长结构的排列周期为L且λ/6≤L≤λ，高度为h且λ/6≤h≤2λ，结构宽度为a且0＜a≤L，λ为入射光的波长。6.根据权利要求1所述的大视场激光光束扫描系统，其特征在于，以平面二次相位透镜的光轴所在方向为z轴方向，以垂直于所述光轴的平面为包括互相垂直的x轴和y轴的xy平面，所述若干束阵列出射光束中任一出射光束的出射角为(θ，β)，
其中，θ为出射光束与平面二次相位透镜的光轴之间的夹角，β为出射光束在xy平面的投影与x轴方向的夹角，f2为平面二次相位透镜的焦距，S
X

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，张飞，蒲明博，李雄，马晓亮，罗欣，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：