本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《光學(xué)技術(shù)》2020年第3期，版權(quán)歸《光學(xué)技術(shù)》編輯部所有。

范娜娜，王懋，溫少聰，謝杰，吳東岷

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室

摘要：近年來人們對具有安全駕駛、智能控制功能的汽車需求增長，使智能駕駛汽車快速發(fā)展起來，激光雷達(dá)作為智能駕駛的核心傳感器之一得到廣泛的關(guān)注，其中MEMS激光雷達(dá)具有高幀率、高分辨率、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外車載激光雷達(dá)的主要發(fā)展趨勢之一。光學(xué)系統(tǒng)是MEMS激光雷達(dá)重要組成部分之一，分為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)，本文基于鏡面直徑5 mm的二維MEMS振鏡設(shè)計了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將25 W的半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直為弧矢方向發(fā)散半角為1 mrad，子午方向發(fā)散半角為3 mrad的光束；設(shè)計了大相對孔徑為1:1、焦距為11.01 mm的鏡頭作為接收鏡頭，并提出采用放大倍率為2.2的纖維光錐與16線APD陣列探測器耦合，擴(kuò)大接收光學(xué)系統(tǒng)的視場；APD陣列探測器采用選通模式，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪比?；诖嗽O(shè)計結(jié)果搭建激光雷達(dá)樣機(jī)，實驗驗證系統(tǒng)探測距離可達(dá)45 m，全視場角40? × 10?。結(jié)果表明系統(tǒng)可一定程度上提高激光雷達(dá)探測距離和視場角。

關(guān)鍵詞：MEMS振鏡；激光雷達(dá)；光學(xué)設(shè)計；纖維光錐；大相對孔徑

0 引言

激光雷達(dá)是一種通過使用激光束測量目標(biāo)距離的測量方法，在航空航天、軍事、氣象等國民經(jīng)濟(jì)生活中得以廣泛的應(yīng)用。尤其在智能駕駛領(lǐng)域，三維成像激光雷達(dá)是實現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前激光雷達(dá)主要的技術(shù)方案有固態(tài)激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)、機(jī)械式激光雷達(dá)，其中混合固態(tài)激光雷達(dá)采用MEMS（Micro Electro Mechanical System）掃描振鏡作為掃描機(jī)構(gòu)，主要系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)三維成像，具有遠(yuǎn)距離，高幀率，高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，并且有望實現(xiàn)激光雷達(dá)的小型化和低成本化，是國內(nèi)外車載激光雷達(dá)發(fā)展的主要趨勢之一。

光學(xué)系統(tǒng)作為MEMS激光雷達(dá)重要組成部分，分為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小發(fā)射光束的發(fā)散角，使其光束質(zhì)量更好，主要設(shè)計難點(diǎn)是MEMS掃描振鏡的鏡面面積較小，限制光束的直徑，直接影響準(zhǔn)直光束的發(fā)散角。接收光學(xué)系統(tǒng)主要任務(wù)是在保證口徑的前提下接收更大視場范圍內(nèi)的回波光束，主要設(shè)計難點(diǎn)是光電探測器面積有限，會限制接收光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑和視場。

目前國內(nèi)外研究者基于MEMS掃描振鏡提出了許多不同的光學(xué)方案，Ito等開發(fā)了配備單光子CMOS焦平面探測器的MEMS激光雷達(dá)，可以測量距離高達(dá)25 m，全視場角為45? × 11?。Jae-Hyoung Park利用間接時間飛行法，搭建了基于直徑3 mm的二維MEMS掃描振鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)，實現(xiàn)了2 m、4 m、6 m、8 m距離處多目標(biāo)物體的距離測量及三維成像。

邱琪等提出一種6個掃描子系統(tǒng)組成的全向激光探測雷達(dá)結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射光學(xué)天線將MEMS鏡±10 °的掃描角擴(kuò)展到±30°；接收天線物鏡F數(shù)為3，視場角為67 °，視場角范圍內(nèi)接收到的激光回波經(jīng)過接收天線在探測器上所成的半像高小于1 mm。易可佳等研制的一種小型化實時成像的MEMS激光雷達(dá)樣機(jī)，其距離分辨率為1 cm，視場角為24°。

本文根據(jù)基于二維MEMS掃描振鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)的特性，設(shè)計了一套激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)，包括激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和匹配激光雷達(dá)大口徑、大視場探測需求與探測器小接收面積的接收光學(xué)系統(tǒng)，并搭建了激光雷達(dá)原理樣機(jī)。

1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

基于二維MEMS掃描振鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用飛行時間法測距，整體光路采用收發(fā)并行光路系統(tǒng)，光源為半導(dǎo)體脈沖激光器，探測器為高靈敏度的APD陣列探測器，如圖1。激光雷達(dá)工作時，控制系統(tǒng)使激光器發(fā)出高頻率脈沖激光，經(jīng)由準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直為發(fā)散角較小的光束，再控制二維MEMS掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角，改變出射光束方向，逐點(diǎn)掃描目標(biāo)；目標(biāo)反射的回波光束經(jīng)過接收光學(xué)系統(tǒng)會聚到APD陣列探測器表面，APD陣列探測器上對應(yīng)的單元被選通以接收光信號?？刂葡到y(tǒng)基于時間飛行法（ToF）準(zhǔn)確計算激光飛行往返路徑的時間來實現(xiàn)距離測量。

圖1 基于二維MEMS掃描振鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

激光和微波同屬電磁波，根據(jù)微波雷達(dá)的作用距離方程可得激光雷達(dá)方程為：

式中，PR是接收激光功率；PT是發(fā)射激光功率；GT是發(fā)射天線增益；σ是目標(biāo)散射系數(shù)；D是接收孔徑；R是激光雷達(dá)到目標(biāo)的距離；ηAtm是單程大氣傳輸系數(shù)；ηSys是激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)的傳輸系數(shù)。根據(jù)激光雷達(dá)距離公式可知，為激光雷達(dá)設(shè)計合適的光學(xué)系統(tǒng)是實現(xiàn)激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離、大視場的必要條件。其中發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)盡量選用大功率激光器，且發(fā)射光束需發(fā)散角較小，遠(yuǎn)場能量集中；若要求激光雷達(dá)探測距離大于100 m，假設(shè)激光雷達(dá)作用距離公式中各個參量的值如表1所示，則接收光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑需大于10 mm?？紤]大陣列的APD探測器成本較高，為降低激光雷達(dá)成本，采用Hamamatsu公司S13645-01CR型1 × 16線陣APD探測器，單個APD面積1 mm × 0.4 mm，總的面積為1 mm × 8 mm。當(dāng)接收光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑2d為10 mm，視場角θ為40° × 10°，根據(jù)f =d/tanθ，則接收光學(xué)系統(tǒng)的焦距為2.84 mm，即要求接收光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑（2d/f）為10:2.84，光學(xué)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(xué)系統(tǒng)間加入纖維光錐平衡接收光學(xué)系統(tǒng)在光電探測器面積一定的情況下對大口徑和大視場的需求，并且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干擾，提高系統(tǒng)的信噪比。

表1 距離公式變量值

1.1 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

激光雷達(dá)光源為波長905 nm的脈沖半導(dǎo)體激光器，該激光器輸出功率為25 W，弧矢方向光斑尺寸為15 μm，發(fā)散角為25°（FWHM），子午方向光斑尺寸為74μm，發(fā)散角為10°（FWHM）。半導(dǎo)體激光器的弧矢（平行于結(jié)平面方向）、子午（垂直于結(jié)平面方向）方向發(fā)散角不同，故采用兩個母線相互垂直的柱面鏡對弧矢、子午兩個方向分別準(zhǔn)直。根據(jù)高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角定義θ=λ／πω0，準(zhǔn)直后束腰半徑越大，MEMS振鏡的鏡面尺寸需越大，而MEMS振鏡的掃描頻率則會隨之減小，綜合考慮激光雷達(dá)對準(zhǔn)直后光束小發(fā)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1.2KHz，慢軸掃描頻率在10 Hz左右。

利用光學(xué)仿真軟件，建立柱面鏡準(zhǔn)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°傾斜、直徑5 mm的反射鏡，其等效于零掃描角時的MEMS振鏡。

根據(jù)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性，設(shè)計使用焦距為4.62 mm的非球面柱面鏡進(jìn)行子午方向的準(zhǔn)直；設(shè)計使用焦距為13.91 mm的球面柱面鏡進(jìn)行弧矢方向的準(zhǔn)直。

仿真得到準(zhǔn)直后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(diǎn)擬合為直線，該直線近似為雙曲線的漸近線，直線方程為

圖3 光斑半徑隨光傳播距離的曲線

直線斜率為準(zhǔn)直后光束發(fā)散角的正切值，則

圖4 距離MEMS振鏡100 m時激光光斑截面圖

得到準(zhǔn)直后子午方向發(fā)散半角為1 mrad，弧矢方向發(fā)散半角為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24.01 W，即有96%以上的激光能量經(jīng)由MEMS振鏡反射，僅有包含約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(xué)系統(tǒng)設(shè)計

如前文所述，為滿足激光雷達(dá)遠(yuǎn)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2.2的成像纖維光錐作為中繼元件。該纖維光錐由數(shù)千上萬根錐形光纖規(guī)則排列組合而成，每根錐形光纖芯徑小于6 μm，纖維光錐入射端面接收到的圖像被分解為與錐形光纖排列相對應(yīng)的像元；規(guī)則排列的錐形光纖將所攜帶的像元信息一一對應(yīng)地傳遞到纖維光錐的另一端；像元在傳遞過程中隨錐形光纖直徑的變化被放大或縮小，在出射端面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，位于接收光學(xué)鏡頭的像方焦平面位置。

綜合考慮接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑和視場，接收光學(xué)的設(shè)計指標(biāo)如表2。

表2 接收鏡頭設(shè)計指標(biāo)

圖5 接收鏡頭仿真模型

在光學(xué)仿真軟件中選擇反遠(yuǎn)距型鏡頭為初始結(jié)構(gòu)，設(shè)置評價函數(shù)，選用市場上現(xiàn)有透鏡，優(yōu)化系統(tǒng)，最終得到接收鏡頭的結(jié)構(gòu)如圖5所示，共有5片鏡片組成，其中最后一個透鏡為非球面透鏡。

接收鏡頭焦距為11.01 mm，視場角為40 ° × 10 °，相對孔徑1:1，系統(tǒng)總長95.08 mm。圖6為接收鏡頭像平面的光跡圖，像面大小為5 mm × 2.2 mm，x方向從左至右依次為視場（0 °，0 °）、（0 °，3.5 °）、（0 °，5 °）的光線在像平面所成光斑，y方向從下至上依次為（0 °，0 °）、（14 °，0 °）、（20 °，0 °）的光線在像平面所成光斑，x方向像高1.10 mm，y方向像高為4.17mm。圖7為像平面的相對照度均勻性，20 °視場角范圍內(nèi)像平面的相對照度均勻性在90%以上。

圖6 像平面光跡圖

圖8 激光雷達(dá)樣機(jī)

圖9 APD陣列探測器與纖維光錐耦合模塊

圖10 實驗拍攝光斑圖

在距離發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)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12.81 mm × 26.78 mm，根據(jù)tanθ＝r/d，激光的發(fā)散角為0.11° × 0.23 °。

在距離激光雷達(dá)垂直距離1.5 m的前方有一面白墻，接收光學(xué)系統(tǒng)的光軸與墻面垂直，當(dāng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的掃描角為（0 °，0 °）、（5 °，0 °）、（0 °，5 °）、（0 °，10 °）、（0 °，15 °）、（0 °，20 °）時，對應(yīng)選通APD探測器從左至右第8個、第8個、第7個、第5個、第3個、第1個單元，APD探測器接收到的回波信號幅值及其修正后電壓幅值如表3所示，相應(yīng)的計算了修正后電壓幅值與其平均值的差值占其平均值的百分比均小于10%。結(jié)果表明該激光雷達(dá)的樣機(jī)視場角為40 ° × 10 °，接收系統(tǒng)像平面的照度均勻性大于90%。

表3 激光雷達(dá)不同視場回波信號測試結(jié)果

將激光雷達(dá)放置在一地下車庫測試，APD探測器選通第8個單元，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)掃描角為0 °，發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的激光脈沖照射在距離樣機(jī)45 m的一面白墻上時，將接收系統(tǒng)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4.45 V。

圖11 激光雷達(dá)回波信號

3 結(jié)論

本文為基于二維MEMS掃描振鏡的激光雷達(dá)設(shè)計了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)選用直徑5 mm的MEMS掃描振鏡，利用柱面鏡將25W的半導(dǎo)體激光器，準(zhǔn)直為發(fā)散角為1 mrad（子午方向）和3 mrad（弧矢方向）的光束；以放大倍率2.2的纖維光錐作為接收鏡頭和APD陣列探測器的中繼元件，設(shè)計了焦距為11.01 mm、視場角40 ° × 10°的反遠(yuǎn)距鏡頭作為接收鏡頭，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(xué)系統(tǒng)接收到的干擾光降低雷達(dá)系統(tǒng)信噪比。基于仿真結(jié)果，搭建了激光雷達(dá)原理樣機(jī)，實現(xiàn)45 m遠(yuǎn)目標(biāo)的探測，系統(tǒng)全視場角40 ° × 10 °。該激光雷達(dá)系統(tǒng)一定程度上解決了大視場探測需求與探測器小接收面積的矛盾問題，若完善該雷達(dá)樣機(jī)的MEMS掃描振鏡驅(qū)動系統(tǒng)、APD陣列探測器選通系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有望實現(xiàn)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的搭建。

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