激光振鏡(激光清洗振鏡)
本文內(nei) 容轉載自《光學技術》2020年第3期，版權歸《光學技術》編輯部所有。
範娜娜，王懋，溫少聰，謝傑，吳東(dong) 岷
上海科技大學物質科學與(yu) 技術學院，中國科學院蘇州納米技術與(yu) 納米仿生研究所國際實驗室
摘要：近年來人們(men) 對具有安全駕駛、智能控製功能的汽車需求增長，使智能駕駛汽車快速發展起來，激光雷達作為(wei) 智能駕駛的核心傳(chuan) 感器之一得到廣泛的關(guan) 注，其中MEMS激光雷達具有高幀率、高分辨率、體(ti) 積小、成本低的優(you) 點，是國內(nei) 外車載激光雷達的主要發展趨勢之一。光學係統是MEMS激光雷達重要組成部分之一，分為(wei) 發射光學係統和接收光學係統，本文基於(yu) 鏡麵直徑5 mm的二維MEMS振鏡設計了發射光學係統，將25 W的半導體(ti) 激光器準直為(wei) 弧矢方向發散半角為(wei) 1 mrad，子午方向發散半角為(wei) 3 mrad的光束；設計了大相對孔徑為(wei) 1:1、焦距為(wei) 11.01 mm的鏡頭作為(wei) 接收鏡頭，並提出采用放大倍率為(wei) 2.2的纖維光錐與(yu) 16線APD陣列探測器耦合，擴大接收光學係統的視場；APD陣列探測器采用選通模式，提高雷達係統的信噪比。基於(yu) 此設計結果搭建激光雷達樣機，實驗驗證係統探測距離可達45 m，全視場角40︒ × 10︒。結果表明係統可一定程度上提高激光雷達探測距離和視場角。
關(guan) 鍵詞：MEMS振鏡；激光雷達；光學設計；纖維光錐；大相對孔徑
0 引言
激光雷達是一種通過使用激光束測量目標距離的測量方法，在航空航天、軍(jun) 事、氣象等國民經濟生活中得以廣泛的應用。尤其在智能駕駛領域，三維成像激光雷達是實現無人駕駛的關(guan) 鍵技術之一。目前激光雷達主要的技術方案有固態激光雷達、混合固態激光雷達、機械式激光雷達，其中混合固態激光雷達采用MEMS（Micro Electro Mechanical System）掃描振鏡作為(wei) 掃描機構，主要係統包括發射係統、接收係統和信號處理係統，可實現三維成像，具有遠距離，高幀率，高分辨率的優(you) 點，並且有望實現激光雷達的小型化和低成本化，是國內(nei) 外車載激光雷達發展的主要趨勢之一。
光學係統作為(wei) MEMS激光雷達重要組成部分，分為(wei) 發射光學係統和接收光學係統，發射光學係統的主要任務是減小發射光束的發散角，使其光束質量更好，主要設計難點是MEMS掃描振鏡的鏡麵麵積較小，限製光束的直徑，直接影響準直光束的發散角。接收光學係統主要任務是在保證口徑的前提下接收更大視場範圍內(nei) 的回波光束，主要設計難點是光電探測器麵積有限，會(hui) 限製接收光學係統相對孔徑和視場。
目前國內(nei) 外研究者基於(yu) MEMS掃描振鏡提出了許多不同的光學方案，Ito等開發了配備單光子CMOS焦平麵探測器的MEMS激光雷達，可以測量距離高達25 m，全視場角為(wei) 45︒ × 11︒。Jae-Hyoung Park利用間接時間飛行法，搭建了基於(yu) 直徑3 mm的二維MEMS掃描振鏡的激光雷達係統，實現了2 m、4 m、6 m、8 m距離處多目標物體(ti) 的距離測量及三維成像。
邱琪等提出一種6個(ge) 掃描子係統組成的全向激光探測雷達結構，其中發射光學天線將MEMS鏡±10 °的掃描角擴展到±30°；接收天線物鏡F數為(wei) 3，視場角為(wei) 67 °，視場角範圍內(nei) 接收到的激光回波經過接收天線在探測器上所成的半像高小於(yu) 1 mm。易可佳等研製的一種小型化實時成像的MEMS激光雷達樣機，其距離分辨率為(wei) 1 cm，視場角為(wei) 24°。
本文根據基於(yu) 二維MEMS掃描振鏡的激光雷達係統的特性，設計了一套激光雷達的光學係統，包括激光雷達發射光學係統和匹配激光雷達大口徑、大視場探測需求與(yu) 探測器小接收麵積的接收光學係統，並搭建了激光雷達原理樣機。
1 激光雷達結構
基於(yu) 二維MEMS掃描振鏡的激光雷達係統采用飛行時間法測距，整體(ti) 光路采用收發並行光路係統，光源為(wei) 半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器，探測器為(wei) 高靈敏度的APD陣列探測器，如圖1。激光雷達工作時，控製係統使激光器發出高頻率脈衝(chong) 激光，經由準直係統準直為(wei) 發散角較小的光束，再控製二維MEMS掃描振鏡的偏轉角，改變出射光束方向，逐點掃描目標；目標反射的回波光束經過接收光學係統會(hui) 聚到APD陣列探測器表麵，APD陣列探測器上對應的單元被選通以接收光信號。控製係統基於(yu) 時間飛行法（ToF）準確計算激光飛行往返路徑的時間來實現距離測量。
圖1 基於(yu) 二維MEMS掃描振鏡的激光雷達係統示意圖
激光和微波同屬電磁波，根據微波雷達的作用距離方程可得激光雷達方程為(wei) ：
式中，PR是接收激光功率；PT是發射激光功率；GT是發射天線增益；σ是目標散射係數；D是接收孔徑；R是激光雷達到目標的距離；ηAtm是單程大氣傳(chuan) 輸係數；ηSys是激光雷達的光學係統的傳(chuan) 輸係數。根據激光雷達距離公式可知，為(wei) 激光雷達設計合適的光學係統是實現激光雷達遠距離、大視場的必要條件。其中發射光學係統應盡量選用大功率激光器，且發射光束需發散角較小，遠場能量集中；若要求激光雷達探測距離大於(yu) 100 m，假設激光雷達作用距離公式中各個(ge) 參量的值如表1所示，則接收光學係統的入瞳直徑需大於(yu) 10 mm。考慮大陣列的APD探測器成本較高，為(wei) 降低激光雷達成本，采用Hamamatsu公司S13645-01CR型1 × 16線陣APD探測器，單個(ge) APD麵積1 mm × 0.4 mm，總的麵積為(wei) 1 mm × 8 mm。當接收光學係統的入瞳直徑2d為(wei) 10 mm，視場角θ為(wei) 40° × 10°，根據f =d/tanθ，則接收光學係統的焦距為(wei) 2.84 mm，即要求接收光學係統的相對孔徑（2d/f）為(wei) 10:2.84，光學鏡頭難以滿足要求。因此，本文提出在光電探測器和接收光學係統間加入纖維光錐平衡接收光學係統在光電探測器麵積一定的情況下對大口徑和大視場的需求，並且APD陣列探測器采用選通模式，降低大相對孔徑的接收鏡頭接收到的背景光的幹擾，提高係統的信噪比。
表1 距離公式變量值
1.1 發射光學係統設計
激光雷達光源為(wei) 波長905 nm的脈衝(chong) 半導體(ti) 激光器，該激光器輸出功率為(wei) 25 W，弧矢方向光斑尺寸為(wei) 15 μm，發散角為(wei) 25°（FWHM），子午方向光斑尺寸為(wei) 74μm，發散角為(wei) 10°（FWHM）。半導體(ti) 激光器的弧矢（平行於(yu) 結平麵方向）、子午（垂直於(yu) 結平麵方向）方向發散角不同，故采用兩(liang) 個(ge) 母線相互垂直的柱麵鏡對弧矢、子午兩(liang) 個(ge) 方向分別準直。根據高斯光束遠場發散角定義(yi) θ=λ／πω0，準直後束腰半徑越大，MEMS振鏡的鏡麵尺寸需越大，而MEMS振鏡的掃描頻率則會(hui) 隨之減小，綜合考慮激光雷達對準直後光束小發散角和MEMS振鏡高掃描頻率的要求，采用直徑5 mm的MEMS振鏡，其快軸掃描頻率為(wei) 1.2KHz，慢軸掃描頻率在10 Hz左右。
利用光學仿真軟件，建立柱麵鏡準直的仿真模型，如圖2所示。在距離光源45 mm的地方放置了一塊30°傾(qing) 斜、直徑5 mm的反射鏡，其等效於(yu) 零掃描角時的MEMS振鏡。
根據半導體(ti) 激光器的發光特性，設計使用焦距為(wei) 4.62 mm的非球麵柱麵鏡進行子午方向的準直；設計使用焦距為(wei) 13.91 mm的球麵柱麵鏡進行弧矢方向的準直。
仿真得到準直後距離反射鏡不同距離的光斑，取峰值功率1/e2處光斑半徑，將散點擬合為(wei) 直線，該直線近似為(wei) 雙曲線的漸近線，直線方程為(wei)
圖3 光斑半徑隨光傳(chuan) 播距離的曲線
直線斜率為(wei) 準直後光束發散角的正切值，則
圖4 距離MEMS振鏡100 m時激光光斑截麵圖
得到準直後子午方向發散半角為(wei) 1 mrad，弧矢方向發散半角為(wei) 3 mrad，如圖3所示。圖4給出了仿真模型中距離ＭＥＭＳ振鏡100 m的探測器接收到的激光光斑，該光斑總能量為(wei) 24.01 W，即有96%以上的激光能量經由MEMS振鏡反射，僅(jin) 有包含約4%的激光能量的光束未入射到MEMS振鏡上，沿原方向出射。
1.2 接收光學係統設計
如前文所述，為(wei) 滿足激光雷達遠距離光信號的探測對大口徑、大視場的要求，在接收鏡頭和APD陣列探測器間加入放大倍率為(wei) 2.2的成像纖維光錐作為(wei) 中繼元件。該纖維光錐由數千上萬(wan) 根錐形光纖規則排列組合而成，每根錐形光纖芯徑小於(yu) 6 μm，纖維光錐入射端麵接收到的圖像被分解為(wei) 與(yu) 錐形光纖排列相對應的像元；規則排列的錐形光纖將所攜帶的像元信息一一對應地傳(chuan) 遞到纖維光錐的另一端；像元在傳(chuan) 遞過程中隨錐形光纖直徑的變化被放大或縮小，在出射端麵按原排列方式組合成像。本文中纖維光錐口徑小的一端直徑10 mm，緊貼APD探測器，口徑大的一端直徑22 mm，位於(yu) 接收光學鏡頭的像方焦平麵位置。
綜合考慮接收光學係統的口徑和視場，接收光學的設計指標如表2。
表2 接收鏡頭設計指標
圖5 接收鏡頭仿真模型
在光學仿真軟件中選擇反遠距型鏡頭為(wei) 初始結構，設置評價(jia) 函數，選用市場上現有透鏡，優(you) 化係統，最終得到接收鏡頭的結構如圖5所示，共有5片鏡片組成，其中最後一個(ge) 透鏡為(wei) 非球麵透鏡。
接收鏡頭焦距為(wei) 11.01 mm，視場角為(wei) 40 ° × 10 °，相對孔徑1:1，係統總長95.08 mm。圖6為(wei) 接收鏡頭像平麵的光跡圖，像麵大小為(wei) 5 mm × 2.2 mm，x方向從(cong) 左至右依次為(wei) 視場（0 °，0 °）、（0 °，3.5 °）、（0 °，5 °）的光線在像平麵所成光斑，y方向從(cong) 下至上依次為(wei) （0 °，0 °）、（14 °，0 °）、（20 °，0 °）的光線在像平麵所成光斑，x方向像高1.10 mm，y方向像高為(wei) 4.17mm。圖7為(wei) 像平麵的相對照度均勻性，20 °視場角範圍內(nei) 像平麵的相對照度均勻性在90%以上。
圖6 像平麵光跡圖
圖8 激光雷達樣機
圖9 APD陣列探測器與(yu) 纖維光錐耦合模塊
圖10 實驗拍攝光斑圖
在距離發射光學係統6.67 m距離的光屏上拍攝了激光光斑圖，如圖10，該光斑的光斑半徑為(wei) 12.81 mm × 26.78 mm，根據tanθ＝r/d，激光的發散角為(wei) 0.11° × 0.23 °。
在距離激光雷達垂直距離1.5 m的前方有一麵白牆，接收光學係統的光軸與(yu) 牆麵垂直，當發射光學係統的掃描角為(wei) （0 °，0 °）、（5 °，0 °）、（0 °，5 °）、（0 °，10 °）、（0 °，15 °）、（0 °，20 °）時，對應選通APD探測器從(cong) 左至右第8個(ge) 、第8個(ge) 、第7個(ge) 、第5個(ge) 、第3個(ge) 、第1個(ge) 單元，APD探測器接收到的回波信號幅值及其修正後電壓幅值如表3所示，相應的計算了修正後電壓幅值與(yu) 其平均值的差值占其平均值的百分比均小於(yu) 10%。結果表明該激光雷達的樣機視場角為(wei) 40 ° × 10 °，接收係統像平麵的照度均勻性大於(yu) 90%。
表3 激光雷達不同視場回波信號測試結果
將激光雷達放置在一地下車庫測試，APD探測器選通第8個(ge) 單元，發射光學係統掃描角為(wei) 0 °，發射係統發出的激光脈衝(chong) 照射在距離樣機45 m的一麵白牆上時，將接收係統可以接收到的回波信號連接在示波器上顯示如圖11所示，峰值電壓為(wei) 4.45 V。
圖11 激光雷達回波信號
3 結論
本文為(wei) 基於(yu) 二維MEMS掃描振鏡的激光雷達設計了發射光學係統和接收光學係統。係統選用直徑5 mm的MEMS掃描振鏡，利用柱麵鏡將25W的半導體(ti) 激光器，準直為(wei) 發散角為(wei) 1 mrad（子午方向）和3 mrad（弧矢方向）的光束；以放大倍率2.2的纖維光錐作為(wei) 接收鏡頭和APD陣列探測器的中繼元件，設計了焦距為(wei) 11.01 mm、視場角40 ° × 10°的反遠距鏡頭作為(wei) 接收鏡頭，其相對孔徑1:1。APD陣列探測器采用選通模式避免大相對孔徑的接收光學係統接收到的幹擾光降低雷達係統信噪比。基於(yu) 仿真結果，搭建了激光雷達原理樣機，實現45 m遠目標的探測，係統全視場角40 ° × 10 °。該激光雷達係統一定程度上解決(jue) 了大視場探測需求與(yu) 探測器小接收麵積的矛盾問題，若完善該雷達樣機的MEMS掃描振鏡驅動係統、APD陣列探測器選通係統及數據處理係統，有望實現三維成像激光雷達係統的搭建。
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