具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

如图1及图2所示，本发明高效能MEMS激光雷达接收系统，包括依次设置的异型聚光装置、MEMS微振镜、准直装置及接收装置。其中异型聚光装置用于将经目标反射的大面积反射光束在子午和/或弧矢方向聚焦，形成线光束或点阵光束，常选用PMMA、COC等光学塑料、光学玻璃以及其它易于成型的光学材质。MEMS微振镜具有一定机械转动角度，在MEMS微振镜驱动电路的控制下进行角度摆动形成激光扫描面。准直装置为准直透镜，至少可在子午方向或者弧矢方向的任一个方向会聚光束。可以为一个或多个柱面透镜、球面或者非球面透镜。光学接收装置包括后会聚透镜组和光学探测器。其中后会聚透镜组为单片或多片球面、非球面透镜，可将光线会聚进入光学探测器。光学探测器可以为：APD(雪崩二极管)、光电倍增管等光学探测器件。激光器发射激光探测目标，经目标反射的激光光束在异型聚光装置的一个或多个方向聚焦，聚焦成线光束或者点阵光束进入MEMS微振镜。经MEMS微振镜反射后进入准直装置，准直装置在子午和弧矢方向的至少一个方向上进行光束准直，形成一束平行光束。平行光束经光学接收装置的后准直透镜组最终会聚在光学接收装置的光学探测器上。

实施例一

如图3所示，为本实施例的MEMS激光雷达接收系统，包括异型聚光镜1、MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4以及光电探测器5。异型聚光镜1与MEMS微振镜2的中心处于同一水平线上，且光轴呈一定的角度，此角度为MEMS微振镜2的起始角度。此角度可以是30-60度的任意角度。MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4、光学探测器5的中心处于同一直线上。

其中异型聚光镜1为一弧形聚光透镜，可在子午方向会聚反射光束，弧矢方向平移反射光束，形成一束线激光束进入MEMS微振镜2。

由于大面积反射光束在子午方向被异型聚光镜1会聚到MEMS微振镜2，从而增大MEMS微振镜2在子午方向的接收面积，提升MEMS激光雷达的探测能力。反射光束在弧矢方向被异型聚光镜1平移入射MEMS微振镜2，因此，在弧矢方向不改变MEMS微振镜2的接收面积。

异型聚光镜1呈弧形设计，配合MEMS微振镜2在不同扫描角度下，子午方向可接收相同面积的光束，弧矢方向则不改变MEMS振镜的接收面积，从而提升了MEMS激光雷达在整个扫描视场范围内的接收效率。

其中，准直透镜3为柱面透镜，在子午方向可将经MEMS微振镜2反射的光束进行准直且不改变弧矢方向光束的传播。后聚光透镜4为单片非球面透镜、后聚光透镜4固定在安装套筒中，与光学探测器5通过底座配合。对于光学探测器5来说，可以但不仅限于APD(雪崩光电二极管)，如还可以是光电倍增管等其它光学接收器件。

激光器发射的激光光束经目标反射后入射至异型聚光透镜1，经异型聚光镜1会聚形成一线型光束进入MEMS微振镜2的光学区域。随后经MEMS微振镜反射后入射至准直透镜3后形成一平行光束。平行光束入射至后聚光透镜4，二次会聚到光学探测器5。

根据激光雷达探测距离方程：

式中：P_s为激光雷达接收到的回波信号功率；P_i为激光雷达发射的激光脉冲峰值功率；S为激光雷达有效接收面积；R为目标与激光雷达之间的距离；η_sys为激光雷达系统参数；η_atm为信号在大气传输过程中的影响因子；根据这个公式我们可以得到，在同一环境下进行测试时，激光雷达的回波能量只和激光雷达的有效接收面积S以及目标与激光雷达之间的距离R有关，其余影响因子可以认为是一个定值，因此雷达传输方程可以简化为：

在同一探测距离R下，假定MEMS微振镜2接收光束的面积为S₁，异型聚光镜1接收光束面积为S₂。则含异型聚光镜的MEMS激光雷达的接收功率P₂和单微振镜的MEMS激光雷达接收功率P₁的比值为：

因此，可根据需求和实际情况，通过调整异型聚光镜1的结构尺寸(长度、宽度)改变接收光学面积，从而提升MEMS激光雷达的接收功率，对应原理图如4所示。

举例说明：单MEMS微振镜的光学有效面的直径为3mm，异型聚光镜子午面高度为16mm，弧矢面宽度为MEMS微振镜可接收宽度，为3mm。对于同一距离的接收目标，其接收功率比值为：

即：当子午面高度为16mm时，可接收能量为单微振镜MEMS激光雷达接收能量的6.8倍。

此外MEMS激光雷达的扫描角度θ与MEMS微振镜2的机械转角β存在以下关系：

θ＝2β

本发明中提到的MEMS微振镜2可以是一维或二维MEMS微振镜，其扫描范围根据MEMS微振镜的转动角度，可以在30-360度任何范围。

所有光学器件的位置并不局限于上述内容的一种，位置的偏转和角度的大小也不局限于所述的偏转和角度大小。

图5为一种异型弧形聚光镜，主要光学参数为前曲率半径R₁、后曲率半径R₂，宽度L和弧形扫描角度θ。前曲率半径R₁与后曲率半径R₂可根据公式：

推导得出(由高斯公式变形得出)。其中l'是异型聚光镜与MEMS振镜之间的距离。f为异型聚光镜的焦距。n为异型聚光镜的折射率，取值范围为1.4-1.9。宽度L为激光雷达的第一接收面，根激光雷达距离公式可知，L值越大，返回的反射光束越多，得到信号越强。根据不同接收效率的要求，可对异性聚光装置的表面曲率、长度和宽度等结构参数做出修改。

实施例二

如图6所示，为本实施例的高效能MEMS激光雷达接收系统。其接收系统包括异型聚光镜1、MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4以及光学探测器5。

异型聚光镜1与MEMS微振镜2的中心处于同一水平线上，且光轴呈一定的角度，此角度为MEMS起始角度。此角度可以是30-60度的任意角度。MEMS微振镜2、准直透镜3、后聚光透镜4、光电探测器5的中心处于同一直线上。其中异型聚光镜1为一面型上有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，可在子午方向和弧矢方向同时会聚反射光束，将入射的反射光束聚焦为N个会聚点进入MEMS微振镜2，同时扩大了反射光束在子午方向和弧矢方向的接收面积，提升MEMS激光雷达的探测能力。异型聚光镜1呈弧形设计，配合MEMS微振镜的不同扫描角度，在子午和弧矢方向同时实现瞬时接收相同面积光束，从而提升了MEMS激光雷达在整个扫描视场范围内的接收效率。其中，准直透镜3为球面或者非球面圆形透镜，可将经MEMS微振镜2反射的光束进行准直形成一束平行光束。平行光束入射后聚光透镜4最终聚焦在光学探测器5上。后聚光透镜4为单片非球面透镜。后聚光透镜4固定在安装套筒中，与光学探测器5通过底座配合。对于光学探测器5来说，可以但不仅限于APD(雪崩光电二极管)。激光器发射的激光光束经目标反射后入射异型聚光透镜1，经异型聚光镜1会聚形成N个聚焦点入射MEMS微振镜的光学区域。随后反射进入准直透镜3后形成一平行光束。平行光束入射后聚光透镜4，二次会聚到光学探测器5。

图7为面型上有N个微聚焦光学结构的弧形聚光透镜，此处微聚焦光学结构指的是微聚光透镜，N个微聚光透镜均匀排布在一弧形曲面基底上。微聚光透镜的前表面可以是球面、非球面等。

如图9所示，球面、非球面微聚光透镜的焦距l₁，l₂......l_N满足：

其中R是弧形曲面基底的半径，θ为第i片微聚焦透镜与弧形曲面基底的轴线夹角；l₁为第一片微聚焦透镜01的焦距，第一片微聚焦透镜01的光轴与弧形曲面基底的光轴重合，i为2至N的正整数；

根据上述公式可分别计算出微聚焦透镜1，2......N的焦距l₁，l₂，l₃，l₄......l_N。各个微聚光透镜的前曲率半径R₁、后曲率半径R₂满足：

n'为各个微聚光透镜的折射率，j为1至N的正整数。

N个微聚光透镜将视场分割为N份。每一份微透镜构成一个能量通道。微聚光透镜阵列分别对各微视场的子午和弧矢反射光束进行接收，从而实现在接收角度内对反射光束进行接收。各个微聚光透镜的曲率半径R₁、R₂和焦距可以不同也可以相同。各个微聚焦透镜的焦距值随着微聚焦透镜和曲面基底轴线之间的距离增大而减小，这样可保证反射光束经微聚焦异型聚光镜可会聚在MEMS振镜上。

图8为微结构异型聚光透镜原理图。其中S1为单MEMS微振镜2接收面积。S2为微结构异型聚光透镜1接收面积。从图可见，S2大于S1的面积。根据激光雷达的距离公式，可知激光雷达的接收功率为单MEMS振镜的S2/S1倍。同时S2的前表面在子午和弧矢方向均具有一定曲率，可对回波光束进行会聚。因此，可通过调节S2的大小、前后表面的曲率半径，提升雷达的接收效率。