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

上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國(guó)際實(shí)驗(yàn)室

摘要：近年來(lái)人們對(duì)具有安全駕駛、智能控制功能的汽車(chē)需求增長(zhǎng)，使智能駕駛汽車(chē)快速發(fā)展起來(lái)，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(guó)內(nèi)外車(chē)載激光雷達(dá)的主要發(fā)展趨勢(shì)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(jì)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(jì)了大相對(duì)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(cè)器耦合，擴(kuò)大接收光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)；APD陣列探測(cè)器采用選通模式，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪比。基于此設(shè)計(jì)結(jié)果搭建激光雷達(dá)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)探測(cè)距離可達(dá)45 m，全視場(chǎng)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(cè)距離和視場(chǎng)角。

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

0 引言

激光雷達(dá)是一種通過(guò)使用激光束測(cè)量目標(biāo)距離的測(cè)量方法，在航空航天、軍事、氣象等國(guó)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(hào)處理系統(tǒng)，可實(shí)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(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的小型化和低成本化，是國(guó)內(nèi)外車(chē)載激光雷達(dá)發(fā)展的主要趨勢(shì)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(jì)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(chǎng)范圍內(nèi)的回波光束，主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是光電探測(cè)器面積有限，會(huì)限制接收光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑和視場(chǎng)。

目前國(guó)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(kāi)發(fā)了配備單光子CMOS焦平面探測(cè)器的MEMS激光雷達(dá)，可以測(cè)量距離高達(dá)25 m，全視場(chǎng)角為45? × 11?。Jae-Hyoung Park利用間接時(shí)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(shí)現(xiàn)了2 m、4 m、6 m、8 m距離處多目標(biāo)物體的距離測(cè)量及三維成像。

邱琪等提出一種6個(gè)掃描子系統(tǒng)組成的全向激光探測(cè)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(chǎng)角為67 °，視場(chǎng)角范圍內(nèi)接收到的激光回波經(jīng)過(guò)接收天線在探測(cè)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(shí)時(shí)成像的MEMS激光雷達(dá)樣機(jī)，其距離分辨率為1 cm，視場(chǎng)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(jì)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(chǎng)探測(cè)需求與探測(cè)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(shí)間法測(cè)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(cè)器為高靈敏度的APD陣列探測(cè)器，如圖1。激光雷達(dá)工作時(shí)，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(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到APD陣列探測(cè)器表面，APD陣列探測(cè)器上對(duì)應(yīng)的單元被選通以接收光信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)基于時(shí)間飛行法（ToF）準(zhǔn)確計(jì)算激光飛行往返路徑的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)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(jì)合適的光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)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(chǎng)能量集中；若要求激光雷達(dá)探測(cè)距離大于100 m，假設(shè)激光雷達(dá)作用距離公式中各個(gè)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。考慮大陣列的APD探測(cè)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(cè)器，單個(gè)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(chǎng)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(duì)孔徑（2d/f）為10:2.84，光學(xué)鏡頭難以滿(mǎn)足要求。因此，本文提出在光電探測(cè)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(cè)器面積一定的情況下對(duì)大口徑和大視場(chǎng)的需求，并且APD陣列探測(cè)器采用選通模式，降低大相對(duì)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(jì)

激光雷達(dá)光源為波長(zhǎng)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(gè)母線相互垂直的柱面鏡對(duì)弧矢、子午兩個(gè)方向分別準(zhǔn)直。根據(jù)高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)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(huì)隨之減小，綜合考慮激光雷達(dá)對(duì)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(shí)的MEMS振鏡。

根據(jù)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(cè)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(jì)

如前文所述，為滿(mǎn)足激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離光信號(hào)的探測(cè)對(duì)大口徑、大視場(chǎng)的要求，在接收鏡頭和APD陣列探測(cè)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(wàn)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(duì)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(duì)應(yīng)地傳遞到纖維光錐的另一端；像元在傳遞過(guò)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(cè)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(chǎng)，接收光學(xué)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2。

表2 接收鏡頭設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)函數(shù)，選用市場(chǎng)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(gè)透鏡為非球面透鏡。

接收鏡頭焦距為11.01 mm，視場(chǎng)角為40 ° × 10 °，相對(duì)孔徑1:1，系統(tǒng)總長(zhǎng)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(chǎng)（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(duì)照度均勻性，20 °視場(chǎng)角范圍內(nèi)像平面的相對(duì)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(cè)器與纖維光錐耦合模塊

圖10 實(shí)驗(yàn)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(shí)，對(duì)應(yīng)選通APD探測(cè)器從左至右第8個(gè)、第8個(gè)、第7個(gè)、第5個(gè)、第3個(gè)、第1個(gè)單元，APD探測(cè)器接收到的回波信號(hào)幅值及其修正后電壓幅值如表3所示，相應(yīng)的計(jì)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(chǎng)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(chǎng)回波信號(hào)測(cè)試結(jié)果

將激光雷達(dá)放置在一地下車(chē)庫(kù)測(cè)試，APD探測(cè)器選通第8個(gè)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(shí)，將接收系統(tǒng)可以接收到的回波信號(hào)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(hào)

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(jì)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(cè)器的中繼元件，設(shè)計(jì)了焦距為11.01 mm、視場(chǎng)角40 ° × 10°的反遠(yuǎn)距鏡頭作為接收鏡頭，其相對(duì)孔徑1:1。APD陣列探測(cè)器采用選通模式避免大相對(duì)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(shí)現(xiàn)45 m遠(yuǎn)目標(biāo)的探測(cè)，系統(tǒng)全視場(chǎng)角40 ° × 10 °。該激光雷達(dá)系統(tǒng)一定程度上解決了大視場(chǎng)探測(cè)需求與探測(cè)器小接收面積的矛盾問(wèn)題，若完善該雷達(dá)樣機(jī)的MEMS掃描振鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、APD陣列探測(cè)器選通系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的搭建。

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