[发明专利]大视场激光光束扫描系统及其设计方法和激光雷达装置

说明书

本发明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。本发明质量轻、易集成、尺寸紧凑、视场大且扫描速度快。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为此，本发明的一方面提供了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，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。

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。

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。

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；

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；