CN109669226A - 一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计方法 - Google Patents

一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计方法，通过超表面透镜组阵列与压电陶瓷结合实现激光雷达扫描。该装置包括两层平行的超表面透镜组，第一层超表面透镜实现垂直入射平行光束的理想聚焦或发散，使其焦点或虚焦点在第二层超表面透镜组的前焦面上。第二层超表面透镜组，将第一层超表面透镜汇聚后发散的光束，或者直接发散的光束，转变成平行光出射；当第一层超表面透镜发生横向位移时，其焦点位置也发生相同的横向位移，对第二层超表面透镜组来说，相当于前焦面上离轴的点发出的光波，通过透镜变为有一定出射角的平面波；将透镜组阵列化，增强其通光口径，实现微小位移量下的高速，高分辨，大角度的激光雷达设计。

Description

一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计 方法
技术领域
本发明属于微纳光学及光学芯片集成领域，尤其涉及一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计方法。
背景技术
激光雷达(Light Detection And Ranging，简称Lidar)是一种通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术。它是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，以激光束作为信息载体，可用光的振幅、相位、偏振和频率来搭载信息。和以往微波雷达相比，激光雷达可以获得更高的分辨率，探测更为细小的目标物。然而传统激光雷达利用反射镜高速转动实现光束扫描，由于其机械转动的速度限制，使其不能得到很快的扫描频率，以及很大的扫描角度，与广大的高速物体扫描定位需求有一定的脱节，并且其成本高昂，限制其发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置及其设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，该装置包括两层平行的超表面透镜组阵列，入射面的第一层超表面透镜组阵列实现垂直入射平行光束的理想聚焦或发散，使其焦点或虚焦点在第二层超表面透镜组的前焦面上，出射面的第二层超表面透镜组阵列，将第一层超表面透镜组阵列汇聚后发散的光束，或者直接发散的光束，转变成平行光出射；当第一层超表面透镜组阵列发生横向位移时，其焦点位置也发生相同的横向位移，对应于第二层超表面透镜组阵列来说，相当于前焦面上离轴的点发出的光波，通过透镜后变为有一定出射角的平面波；
所述第一层超表面透镜组阵列由第一透明衬底和第一透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；
所述第二层超表面透镜组阵列由第二透明衬底和第二透明衬底两侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，入射面的亚波长微结构用于准直入射光，出射面的亚波长微结构用于不同角度出射光的像差校正，两侧的亚波长微结构均由若干纳米介质柱构成。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列或第二层超表面透镜组阵列上加载压电陶瓷，实现出射光束的角度扫描。
进一步地，该装置还包括置于第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的聚焦平面上的超表面相位调制层，用于实现整个扫描装置的相位补偿，从而提高出射光束的分辨率。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径等于第二层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径，以提高光束的利用率；所述第二层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径与第一层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径之比大于1：1.36，以消除多缝衍射旁瓣。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的间距等于第一层超表面透镜组阵列的焦距与第二层超表面透镜组阵列的焦距之和，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列的数值孔径相等，以确保光束在第二层超表面透镜组的出射面充满光瞳，减小衍射旁瓣。
进一步地，所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
进一步地，每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。
一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定扫描装置的工作波长、扫描角度范围和扫描频率，从而计算出两层超表面透镜组阵列中每个透镜的结构大小、焦距，第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的工作角度，以及最大扫描角度所需的位移量。
步骤(2)根据步骤(1)计算得到的结构参数，使用二元光学元件(Binary2)在ZEMAX中对两层超表面透镜组阵列进行模拟，得到超表面上的理想相位分布以及结构光路图；在激光雷达设计中，优化的透镜需反向排列作为第二层超表面透镜组阵列。
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
步骤(4)根据每层超表面透镜组阵列每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。
步骤(5)将压电陶瓷作用在单层超表面透镜组阵列上，利用信号电压的变化，实现超表面透镜组阵列的横向移动，从而使聚焦后的光波在第二层超表面透镜组阵列作用下变为有一定出射角的平行光，通过对超表面阵列的二维移动，实现对前方物体的二维大角度扫描。
进一步地，所述步骤(1)具体设计方法如下：
第二层超表面透镜组阵列中，每个透镜的工作角度等于设计的扫描角度，其工作角度对应的像高为所需位移量，每个透镜的入射面的口径以及焦距由ZEMAX优化所得，优化使得第二层超表面透镜组阵列中每个透镜在所需视场内有尽可能小的像高，此时对应的焦距以及口径为设计最优值。
利用几何关系得到第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距f与位移量l之间的关系：
0.5*l/f＝tanθ (1)
其中θ为出射方向角。
由此可以得到结构参数中位移量和第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距值，由于实际设计透镜存在畸变，其光线出射角与像高的关系不完全决定于(1)式，但是，此式确定一个初始的结构参数。
第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜的入射面的口径相等，以提高光束利用率，第一层超表面透镜组阵列每个透镜的数值孔径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜相同，以此确定第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径和焦距。
进一步地，所述步骤(2)中，将超表面的相位分布用二元光学元件进行模拟，其相位分布被定义为径向坐标的偶次多项式：
φ(ρ)＝∑an(ρ/R)2n (2)
其中R为超表面透镜半径，ρ为超表面上的径向坐标，系数an为在入射角最大时使焦点最小的(焦点大小的均方根)优化参数，n为偶次多项式项数，由此得到每个超表面透镜的理想相位分布。
本发明的有益效果是：通过微纳米光学技术与压电陶瓷的结合，使用压电陶瓷控制微透镜阵列发生微量的横向位移，可以实现对垂直入射光波出射角度的变换，充分利用了超表面微透镜的高数值孔径、可集成化和压电陶瓷电控位移的特点，可以实现激光雷达的大角度、高频率的扫描，同时还具有重量轻、厚度薄、可集成化应用等优势，并且在大规模制造中可以控制其成本。因此，基于超表面透镜组阵列的激光雷达设计为目前面临的问题提供了十分有效的解决方法。
附图说明
图1为利用超表面透镜组阵列实现激光雷达扫描的示意图，图中a、b分别为设计中的第一层和第二层超表面透镜组阵列。
图2为第二层双层超表面微透镜组的仿真优化示意图。
图3为设计晶胞的结构图和相同结构晶胞阵列图，图中h为纳米住的高度，d1、d2分别为中心纳米柱和边缘纳米柱的直径，p为晶格周期。
图4(a)为设计的复合结构单元不同半径组合下波长为946nm时的透射率和相位延迟数值结果。
图4(b)为设计的复合结构单元不同半径组合下波长为1550nm时的透射率和相位延迟数值结果。
图5(a)为超表面微透镜在946nm光波下径向相位分布函数的拟合图。
图5(b)为超表面微透镜在1550nm光波下径向相位分布函数的拟合图。
图6中，(a)为人工超表面透镜组阵列红外显微镜下结构图，(b)为人工超表面透镜组阵列100X可见光显微镜下结构图，(c)为人工超表面透镜组阵列对于入射红外光的聚焦情况。
图7(a)为超表面透镜组合阵列的在没有相对位移时的光束变换仿真图。
图7(b)为图7(a)输出光场的角谱图。
图8(a)为超表面透镜组合阵列的在最大相对位移时的光束变换仿真图。
图8(b)为图8(a)输出光场的角谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，该装置包括两层平行的超表面透镜组阵列，入射面的第一层超表面透镜组阵列实现垂直入射平行光束的理想聚焦或发散，使其焦点或虚焦点在第二层超表面透镜组的前焦面上，出射面的第二层超表面透镜组阵列，将第一层超表面透镜组阵列汇聚后发散的光束，或者直接发散的光束，转变成平行光出射；当第一层超表面透镜组阵列发生横向位移时，其焦点位置也发生相同的横向位移，对应于第二层超表面透镜组阵列来说，相当于前焦面上离轴的点发出的光波，通过透镜后变为有一定出射角的平面波。
如图1所示，第一层超表面透镜组阵列a将垂直入射的平面波聚焦在第二层超表面透镜组阵列b的前焦面上，再由第二层超表面透镜阵列将光波变换为平面波。
当第一层超表面透镜组阵列发生横向位移时，其焦点位置也发生相同的横向位移，对第二层超表面透镜组阵列来说，相当于前焦面上离轴的点发出的光波，通过透镜后变为有一定出射角的平面波。
所述第一层超表面透镜组阵列由第一透明衬底和第一透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成。
所述第二层超表面透镜组阵列由第二透明衬底和第二透明衬底两侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，入射面的亚波长微结构用于准直入射光，出射面的亚波长微结构用于不同角度出射光的像差校正，两侧的亚波长微结构均由若干纳米介质柱构成。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列或第二层超表面透镜组阵列上加载压电陶瓷，实现出射光束的角度扫描。
进一步地，该装置还包括置于第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的聚焦平面上的超表面相位调制层，用于实现整个扫描装置的相位补偿，从而提高出射光束的分辨率。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径等于第二层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径，以提高光束的利用率；所述第二层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径与第一层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径之比大于1：1.36，以消除多缝衍射旁瓣。
进一步地，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的间距等于第一层超表面透镜组阵列的焦距与第二层超表面透镜组阵列的焦距之和，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列的数值孔径相等，以确保光束在第二层超表面透镜组的出射面充满光瞳，减小衍射旁瓣。
进一步地，所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
进一步地，每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求
一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达设计，具体包括以下步骤：
步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定扫描装置的工作波长、扫描角度范围和扫描频率，从而计算出两层超表面透镜组阵列中每个透镜的结构大小、焦距，第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的工作角度，以及最大扫描角度所需的位移量。
步骤(2)根据步骤(1)计算得到的结构参数，使用二元光学元件(Binary2)在ZEMAX中对两层超表面透镜组阵列进行模拟，得到超表面上的理想相位分布以及结构光路图。如图2为Zemax优化的双层超表面透镜组结构光路图。
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。如图3所示的是设计的双波长的工作的复合纳米介质柱晶胞，由两类纳米介质柱组成，图中h为纳米住的高度，d1、d2分别为中心纳米介质柱和边缘纳米介质柱的直径，p为晶格周期。根据电磁仿真软件计算得到的相位值，选取合适结构的纳米介质柱(双波长时使用复合纳米介质柱结构)作为介质基人工特异平面的基本单元，不同的透射相位能够通过改变其参数(d1，d2)实现，如图4(a)、图4(b)为复合结构晶胞的参数组合(d1，d2)序号在两个波长处的透射幅度和相位值。
步骤(4)根据每层超表面透镜组阵列每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。图5(a)、图5(b)分别是使用图4(a)、图4(b)结果拟合在超表面微透镜径向上在946nm和1550nm下的透射相位函数拟合效果。如图6为超表面透镜组阵列实验样品图。
步骤(5)将压电陶瓷作用在单层超表面透镜组阵列上，利用信号电压的变化，实现超表面透镜组阵列的横向移动，从而使聚焦后的光波在第二层超表面透镜组阵列作用下变为有一定出射角的平行光，通过对超表面阵列的二维移动，实现对前方物体的二维大角度扫描。
如图7(a)、图7(b)的仿真结果所示，在第一个超表面微透镜有一个微小的横向位移时，通过第二个超表面微透镜组的光波将会发生一个偏折。图7(a)为没有位移时，光波垂直出射，图7(b)为图7(a)输出光场角谱图。图8(a)为透镜阵列有位移时的光路仿真图，图8(b)为图8(a)输出光场角谱图。
进一步地，所述步骤(1)具体设计方法如下：
第二层超表面透镜组阵列中，每个透镜的工作角度等于设计的扫描角度，其工作角度对应的像高为所需位移量，每个透镜的入射面的口径以及焦距由ZEMAX优化所得，优化使得第二层超表面透镜组阵列中每个透镜在所需视场内有尽可能小的像高，此时对应的焦距以及口径为设计最优值。
利用几何关系得到第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距f与位移量l之间的关系：
0.5*l/f＝tanθ (1)
其中θ为出射方向角。
由此可以得到结构参数中位移量和第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距值，由于实际设计透镜存在畸变，其光线出射角与像高的关系不完全决定于(1)式，但是，此式确定一个初始的结构参数。
第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜的入射面的口径相等，以提高光束利用率，第一层超表面透镜组阵列每个透镜的数值孔径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜相同，以此确定第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径和焦距。
进一步地，所述步骤(2)中，将超表面的相位分布用二元光学元件进行模拟，其相位分布被定义为径向坐标的偶次多项式：
φ(ρ)＝∑an(ρ/R)2n (2)
其中R为超表面透镜半径，ρ为超表面上的径向坐标，系数an为在入射角最大时使焦点最小的(焦点大小的均方根)优化参数，n为偶次多项式项数，由此得到每个超表面透镜的理想相位分布。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，该装置包括两层平行的超表面透镜组阵列，入射面的第一层超表面透镜组阵列实现垂直入射平行光束的理想聚焦或发散，使其焦点或虚焦点在第二层超表面透镜组的前焦面上，出射面的第二层超表面透镜组阵列，将第一层超表面透镜组阵列汇聚后发散的光束，或者直接发散的光束，转变成平行光出射；当第一层超表面透镜组阵列发生横向位移时，其焦点位置也发生相同的横向位移，对应于第二层超表面透镜组阵列来说，相当于前焦面上离轴的点发出的光波，通过透镜后变为有一定出射角的平面波；
所述第一层超表面透镜组阵列由第一透明衬底和第一透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位调制，由若干纳米介质柱构成；
所述第二层超表面透镜组阵列由第二透明衬底和第二透明衬底两侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，入射面的亚波长微结构用于准直入射光，出射面的亚波长微结构用于不同角度出射光的像差校正，两侧的亚波长微结构均由若干纳米介质柱构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述第一层超表面透镜组阵列或第二层超表面透镜组阵列上加载压电陶瓷，实现出射光束的角度扫描。
3.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，该装置还包括置于第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的聚焦平面上的超表面相位调制层，用于实现整个扫描装置的相位补偿，从而提高出射光束的分辨率。
4.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述第一层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径等于第二层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径，以提高光束的利用率；所述第二层超表面透镜组阵列出射面的透镜口径与第一层超表面透镜组阵列入射面的透镜口径之比大于1：1.36，以消除多缝衍射旁瓣。
5.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列之间的间距等于第一层超表面透镜组阵列的焦距与第二层超表面透镜组阵列的焦距之和，所述第一层超表面透镜组阵列和第二层超表面透镜组阵列的数值孔径相等，以确保光束在第二层超表面透镜组的出射面充满光瞳，减小衍射旁瓣。
6.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
7.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜组阵列的激光雷达扫描装置，其特征在于，每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。
8.一种权利要求1-7任一项所述激光雷达扫描装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定扫描装置的工作波长、扫描角度范围和扫描频率，从而计算出两层超表面透镜组阵列中每个透镜的结构大小、焦距，第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的工作角度，以及最大扫描角度所需的位移量。
步骤(2)根据步骤(1)计算得到的结构参数，使用二元光学元件(Binary2)在ZEMAX中对两层超表面透镜组阵列进行模拟，得到超表面上的理想相位分布以及结构光路图；在激光雷达设计中，优化的透镜需反向排列作为第二层超表面透镜组阵列。
步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。
步骤(4)根据每层超表面透镜组阵列每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。
步骤(5)将压电陶瓷作用在单层超表面透镜组阵列上，利用信号电压的变化，实现超表面透镜组阵列的横向移动，从而使聚焦后的光波在第二层超表面透镜组阵列作用下变为有一定出射角的平行光，通过对超表面阵列的二维移动，实现对前方物体的二维大角度扫描。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体设计方法如下：
第二层超表面透镜组阵列中，每个透镜的工作角度等于设计的扫描角度，其工作角度对应的像高为所需位移量，每个透镜的入射面的口径以及焦距由ZEMAX优化所得，优化使得第二层超表面透镜组阵列中每个透镜在所需视场内有尽可能小的像高，此时对应的焦距以及口径为设计最优值。
利用几何关系得到第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距f与位移量l之间的关系：
0.5*l/f＝tanθ (1)
其中θ为出射方向角。
由此可以得到结构参数中位移量和第二层超表面透镜组阵列中每个透镜的焦距值，由于实际设计透镜存在畸变，其光线出射角与像高的关系不完全决定于(1)式，但是，此式确定一个初始的结构参数。
第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜的入射面的口径相等，以提高光束利用率，第一层超表面透镜组阵列每个透镜的数值孔径与第二层超表面透镜组阵列每个透镜相同，以此确定第一层超表面透镜组阵列每个透镜的口径和焦距。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将超表面的相位分布用二元光学元件进行模拟，其相位分布被定义为径向坐标的偶次多项式：
φ(ρ)＝∑an(ρ/R)2n (2)
其中R为超表面透镜半径，ρ为超表面上的径向坐标，系数an为在入射角最大时使焦点最小的优化参数，n为偶次多项式项数，由此得到每个超表面透镜的理想相位分布。
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