具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提供了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，构建的大视场激光光束扫描系统能够实现大视场的光束扫描并且覆盖整个2π视场。

下面先结合附图对本发明的大视场激光光束扫描系统进行具体说明。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例所示的大视场激光光束扫描系统的结构示意图，图2示出了根据本发明另一个示例性实施例所示的大视场激光光束扫描系统与VCSEL面阵光源结合的结构示意图。

如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述大视场激光光束扫描系统包括：平面微透镜阵列1，具有第一介质衬底12和阵列形成在第一介质衬底12入射面上的若干组第一介质结构11，形成若干组平面微透镜；平面二次相位透镜2，具有第二介质衬底22和形成在第二介质衬底22出射面上的第二介质结构21，该第二介质结构21和第一介质结构11为亚波长结构，平面二次相位透镜2与平面微透镜阵列1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3，与平面二次相位透镜2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。

其中，为了保证阵列出射光束能够覆盖整个360范围，优选地将平面二次相位透镜2振动的设定幅度控制在一个平面微透镜阵列周期P内，由此能够使得上述若干束阵列出射光束无死角覆盖整个2π视场(即360°视场)。

本发明所适用的入射光可以为平行激光光束(如图1)或发散激光光束(如图2)，不仅适用于近红外波段，也适用于光波段、太赫兹波段和微波段，具体可以根据入射光进行平面微透镜阵列和平面二次相位透镜的设计。当选用发射激光光束时，在设计时还需根据发散特性对平面微透镜阵列的相位分布进一步优化。

本发明中的平面微透镜阵列1和平面二次相位透镜2均由亚波长结构实现，其优点在于可以实现任意波前调控，从而抑制出射光束的波前差RMS；并且平面微透镜阵列1和平面二次相位透镜2采用全介质结构，具有损耗低、效率高等优点，可以实现对入射光的高效率、低散射调控。

具体地，平面微透镜阵列1能够调制入射光并产生若干组位于平面二次相位透镜焦平面处的阵列点源，而平面二次相位透镜2能够调制该若干组阵列点源的光并产生若干束阵列出射光束。其中，平面二次相位透镜2的光轴即为图1中的光轴2，平面微透镜阵列中一组平面微透镜的光轴即为图1中的光轴1，图1和图2分别示例性地展示了在不同光源的入射光经过平面微透镜阵列1和平面二次相位透镜2调制后所得到的出射光束，其中出射光束与平面二次相位透镜2的光轴的夹角即为出射角。

具体地，平面微透镜阵列1的第一介质衬底12可以由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，第一介质衬底的厚度为t₁且t₁≥10λ，第一介质衬底的直径或最小特征长度为D₁且D₁≥MP。平面二次相位透镜2的第二介质衬底22也可以由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，第二介质衬底的厚度为t₂且t₂≥10λ，第二介质衬底的直径或最小特征长度为D₂且D₂≥MP+d。并且，第一介质衬底和第二介质衬底的形状可以为圆形、方形等常见形状，本发明不对此进行限制。

其中，d为出射光束的直径，θ_max为出射光束的最大出射角，f₂为平面二次相位透镜的焦距且f₂＝MP/2sinθ_max，M为平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数，P为一个平面微透镜阵列周期，P≥10λ且λ为入射光的波长，平面微透镜阵列的焦距f₁≈Pf₂/d。

由此，通过给定d、θ_max、M和P，能够得到平面微透镜阵列1和平面二次相位透镜2的焦距f₁和f₂，进一步设计得到符合相应功能需求的介质结构。

根据本发明，平面微透镜阵列1的第一介质结构11为能够实现任意波前调控的亚波长结构并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，第一介质结构11整体呈圆形、四边形或六边形并且以四边形排布或六边形排布的方式阵列排布在第一介质衬底12的入射面上，第一介质结构11的亚波长结构可以为轴对称的任意结构形式中的一种，例如八边形、正方形、圆形等，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列，以实现偏振无关响应。

平面二次相位透镜2的第二介质结构21可以与第一介质结构的亚波长结构相同或不相同，并由硅、二氧化钛或氮化镓制成，第二介质结构11的亚波长结构同样可以为轴对称的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列。优选地，平面二次相位透镜2的第二介质结构21与平面微透镜阵列1的第一介质结构11的结构相同但尺寸和排列方式不同。

其中，亚波长结构的排列周期为L且λ/6≤L≤λ，高度为h且λ/6≤h≤2λ，结构宽度为a且0＜a≤L，λ为入射光的波长，本领域技术人员了解不同亚波长结构的排列周期L、高度h和结构宽度a如何定义，在此不再赘述。

当平面二次相位透镜与平面微透镜阵列实现功能的匹配时，平面微透镜阵列能够实现任意波前调控并产生与平面二次相位透镜完美匹配的点源，从而有效抑制出射光束的RMS，而平面二次相位透镜可以将点源的平移对称性转换为出射光束的旋转对称性，从而实现大视场的光束扫描。并且，出射光束的数量和直径可以通过平面微透镜的数量和周期来决定。

以图1和图2为例，当以平面二次相位透镜的光轴所在方向为z轴方向，以垂直于所述光轴的平面为包括互相垂直的x轴和y轴的xy平面，所述若干束阵列出射光束中任一出射光束的出射角为(θ，β)，其中，θ为出射光束与平面二次相位透镜的光轴之间的夹角，β为出射光束在xy平面的投影与x轴方向的夹角，f₂为平面二次相位透镜的焦距，S_X和S_Y分别为S的x轴分量和y轴分量，S为平面二次相位透镜的光轴与所述任一出射光束对应平面微透镜的光轴之间的距离。

当平面二次相位透镜静止不动时，平面二次相位透镜的光轴与任一出射光束对应平面微透镜的光轴之间的距离S是固定不变的，即S等于原始的距离S₀，此时若干束阵列出射光束的出射角也是固定不变并覆盖相应的大视场范围。但当平面二次相位透镜在微驱动器的作用下在XY平面内进行高频振动时，平面二次相位透镜的光轴与任一出射光束对应平面微透镜的光轴之间的距离S是时刻变化的，即S等于S₀-A，A为微驱动器的执行位移，此时若干束阵列出射光束的出射角在原始出射角的基础上还实现了小视场范围内的连续扫描，由此使阵列出射光束覆盖整个2π视场。

根据本发明，微驱动器3可以为压电微驱动器、MEMS微驱动器、磁力微驱动器或微马达，微驱动器的执行力F＝mAω²sin(ωt)，其中，m为平面二次相位透镜的质量，ω为微驱动器的执行速度，A为微驱动器的执行位移且-P/2≤A≤P/2。

可见，在微驱动器的振荡频率和执行位移固定的条件下，执行力F主要受运动部件质量的影响。本发明的平面二次相位透镜是由亚波长结构构成，其具有轻量化优势，因此当执行力F一定时，平面二次相位透镜的质量m越小，微驱动器的执行响应速度越快，扫描频率越高，更有利于实现激光光束扫描的预期视场和执行速度。

针对本发明的大视场激光光束扫描系统，其大视场能够实现覆盖-90°～90°的出射范围，任一出射光束对应的小视场能够覆盖arcsin[(S-|A|)/f₂]～arcsin[(S+|A|)/f₂]的扫描范围。

本发明还提供了针对上述大视场激光光束扫描系统的设计方法，具体包括以下步骤。

步骤A：

基于给定的平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数M和周期P、出射光束的直径d和出射光束的最大出射角θ_max，计算得到平面微透镜阵列的焦距f₁和第一介质衬底的直径或最小特征长度D₁以及平面二次相位透镜的焦距f₂和第二介质衬底的直径或最小特征长度D₂。

具体地，d为出射光束的直径，θ_max为出射光束的最大出射角，f₂为平面二次相位透镜的焦距且f₂＝MP/2sinθ_max，M为平面微透镜阵列在水平或竖直方向上的阵列数，P为平面微透镜阵列的周期，P≥10λ且λ为入射光的波长，平面微透镜阵列的焦距f₁≈Pf₂/d，第一介质衬底的直径或最小特征长度为D₁且D₁≥MP，第二介质衬底的直径或最小特征长度为D₂且D₂≥MP+d。

步骤B：

给定入射光的波长λ，基于平面二次相位透镜的焦距f₂得到平面二次相位透镜的相位分布确定平面二次相位透镜的第二介质衬底的材料和厚度t₂以及平面微透镜阵列的第一介质衬底的材料和厚度t₁，其中，(x₁，y₁)为平面二次相位透镜上的位置坐标，k₀＝2π/λ。

第一介质衬底可以由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，第一介质衬底的厚度为t₁且t₁≥10λ；第二介质衬底可以由三氧化二铝、二氧化硅或氟化镁制成，第二介质衬底的厚度为t₂且t₂≥10λ。

步骤C：

结合入射光特性并利用光线追踪法优化一组平面微透镜的相位分布其中，(x₂，y₂)为一组平面微透镜上的位置坐标，N≥5，a_i为相位系数。其中，N为经验值，N越大，其所对应的相位分布越灵活，能够更好地抑制RMS。

步骤D：

通过入射光的波长λ选择平面二次相位透镜的第二介质结构的材料和以及平面微透镜阵列的第一介质结构的材料，优化设计第二介质结构并得到第二介质结构的结构宽度a与相位的映射关系，在该映射关系的基础上结合上述步骤B和步骤C得到的相位分布进行亚波长结构的结构和参数选择，得到平面二次相位透镜和一组平面微透镜的亚波长结构版图，具体可以采用CST电磁仿真软件和ZEMAX光学设计软件进行仿真优化。

第一介质结构和第二介质结构均可以由硅、二氧化钛或氮化镓制成，第一介质结构整体呈圆形、四边形或八边形并且以四边形排布或六边形排布的方式阵列排布在第一介质衬底的入射面上，第一介质结构和第二介质结构的亚波长结构可以为沿着x轴和y轴对称的任意结构形式中的一种，并以正四边形晶格结构或正六边形晶格结构排列，以实现偏振无关响应。亚波长结构的排列周期为L且λ/6≤L≤λ，高度为h且λ/6≤h≤2λ，结构宽度为a且0＜a≤L，λ为入射光的波长。

步骤E：

将一组平面微透镜的亚波长结构版图以预定排布方式阵列得到平面微透镜阵列的阵列版图，基于以上信息进行平面二次相位透镜和平面微透镜阵列的加工制备并与微驱动器组合装配后即可得到本发明的基于亚波长结构的大视场激光光束扫描系统。

本发明还提供了一种激光雷达装置，包括：激光光源，用于产生入射光；上述大视场激光光束扫描系统，用于接收来自激光光源的入射光并实现入射光的调制，产生出射方向不同且覆盖大视场的若干束阵列出射光束，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；接收探测系统，用于接收由目标反射的回波信号并根据回波信号获取目标信息。

其中，所使用的激光光源可以为VCSEL面阵光源、扩束平行光或发散点源。相比于平行光入射，VCSEL激光器产生的光源具有发射光峰值功率密度高、信号信噪比高等优点，可灵活控制、更易集成。同时，不同类型的VCSEL激光器具有不同的发散特性，因此还需根据发散特性对平面微透镜阵列的相位分布进一步优化。

优选地，本发明接收探测系统的阵列探测器可以布置在大视场激光光束扫描系统中平面二次相位透镜的焦平面处，以独立探测每束出射光束的回波信号，进而将其转换为相应的目标信息。本发明不限于此，事实上只要采用了本发明的大视场激光光束扫描系统并基于此获得了相应的激光雷达装置，都应落入本发明的保护范围。

接下来将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例针对近红外波段设计了基于平面亚波长结构的大视场激光光束扫描，但同样适用于光波段、太赫兹波段和微波段。本实施例的大视场激光光束扫描系统采用如图1所示的系统结构，以光源为平行光入射并且以微驱动器驱动平面二次相位透镜在y方向上的单方向振动进行简化说明，此时出射角β为0°。

本实施例采用CST电磁仿真软件和ZEMAX光学设计软件对系统的性能进行仿真测试，设计过程不详细阐述。

具体地，平面微透镜阵列的第一介质衬底的厚度t₁＝0.2mm、直径D₁＝9mm，一个平面微透镜阵列周期P＝1mm，焦距f₁＝2.23mm；平面二次相位透镜的第二介质衬底的厚度t₂＝0.2mm、直径为D₂＝12mm，焦距f₂＝4.5mm；出射光束的直径d＝2mm。

第一介质结构和第二介质结构的材料选用硅，第一介质衬底和第二介质衬底的材料选用三氧化二铝。仿真过程中，硅的介电常数为13.1，三氧化二铝的介电常数为3.09056，所设置的工作波长λ为905nm，M＝8,θmax＝90°。

图3a和图3b分别示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统中平面微透镜和平面二次相位透镜的相位分布图。

在对平面微透镜和平面二次相位透镜的亚波长结构进行设计时，需先确定平面二次相位透镜的相位分布并得到如图3b所示的相位分布图，再结合入射光特性并利用光线追踪法优化一组平面微透镜的相位分布并得到如图3a所示的相位分布图，结合二者介质结构的材料优化设计第二介质结构并得到第二介质结构的结构宽度a与相位的映射关系，在该映射关系的基础上结合上述相位分布进行其亚波长结构的结构和参数选择。

图4示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统中平面微透镜和平面二次相位透镜的亚波长结构的结构示意图。

如图4所示，本实施例中亚波长结构的截面形状为八边形，高度为h，八边形的大小由结构宽度a和b决定，a与b存在以下等式关系：b＝a/4；亚波长结构按正六边形晶格结构排列，排列周期为L。

图5a和图5b分别示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统中平面微透镜和平面二次相位透镜的亚波长结构在不同结构宽度a处所对应的相位分布图和振幅变化图。

具体地，亚波长结构的排列周期L＝300nm，亚波长结构的高度h＝750nm，入射光的波长为905nm，采用CST电磁仿真软件对性能进行仿真测试。图5a为正入射下不同结构宽度a对应的相位变化，可以看到当a由100nm变化到200nm时，其相位可覆盖2π。图5b为正入射下不同结构宽度a对应的振幅变化，可以看到当a由100nm变化到200nm时，其振幅平均值大于0.93。因此，可以基于此选择亚波长结构的特征尺寸并设计得到符合相位覆盖要求的平面微透镜和平面二次相位透镜，将所得平面微透镜按照特定的排列方式阵列排布即可得到平面微透镜阵列。

图6a至图6c分别示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统对应的仿真结果，其中图6a和图6b分别表示在y轴方向上不同S下对应出射光束的仿真波前，图6c表示不同出射光束在不同出射角下对应的最大波前相差仿真结果。

从图6a和图6b可以看出，在本实施例中，当s＝0mm和s＝±2.25mm时，采用本系统后的RMS趋近于0。同时，而根据图6c可以看出RMS基本不随光束出射角度的变化而变化。

图7示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统在y轴方向上不同S下对应的出射光束出射角仿真和理论结果图。

从图7可知，本实施例设计的大视场激光光束扫描系统的仿真结果与理论结果十分吻合。当S从-4.5mm变为4.5mm时，出射光束的出射角θ由-90°变为90°，证明本实施例所设计的激光光束扫描系统能够实现大视场的光束扫描。

图8a至图8c示出了根据本发明实施例1大视场激光光束扫描系统中微驱动器在y轴方向上驱动平面二次相位透镜在一个平面微透镜阵列周期内垂直移动所对应的出射光束扫描仿真结果，其中图8a至图8c对应的垂直移动距离分别为A＝0、A＝-P/2、A＝P/2。

为了对振动情况下出射光束的小视场扫描情况进行具体说明，图8a至图8c中将大视场激光光束扫描系统中多个平面微透镜阵列周期变为一个平面微透镜阵列周期，其他结构及其参数固定不变。其中，一个平面微透镜阵列周期设置为P＝1mm，但平面微透镜阵列周期P并不局限于此处所设置的大小。当微驱动器的执行力F一定时，微驱动器的执行位移越小，其执行响应速度越快，扫描频率越高，因此一个平面微透镜阵列周期P还可以设置得更小。根据图8a至图8c可分别得到，当平面微透镜阵列光轴1与平面二次相位透镜光轴2重叠时，即A＝0时，光束出射角度为0°；当平面微透镜阵列的光轴1固定不动，平面二次相位透镜的光轴2在y轴方向上垂直移动，垂直移动距离从A＝-P/2变为A＝P/2时，光束出射角度θ由6.4°变为-6.4°。由此可知，当大视场激光光束扫描系统中一个平面微透镜阵列周期变为多个平面微透镜阵列周期时，若平面二次相位透镜在微驱动器的作用下持续高频振动，各出射光束能够在小视场范围内实现同步连续扫描。

实施例2：

将实施例1所得的大视场激光光束扫描系统与激光光源和接收探测系统进行适应性组合，即可得到相应的激光雷达装置。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。