自动驾驶激光雷达光学系统设计方法

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针对目前主要的几种类型的激光雷达，比如采用旋转光学元件的如Risley prism,MEMS基的激光雷达，相控阵列激光雷达，光开关阵列激光雷达，说一下主要的光学设计。 机械式扫描的激光雷达，常用的比较多的Risley prism，也有旋转平面反射镜，也有用galvano mirror+DMD扫描模式。这里主要说一下Risley prism 如图1所示， 通过两个棱镜的旋转在目标面上形成想要的扫描轨迹，影响扫描轨迹的因素有很多，比如两个棱镜的顶角，两个棱镜之间的距离，到目标面的距离，棱镜的旋转速度等，分析的时候要找到影响轨迹的一些关键产量，有不少论文分析这方面的，大家可以学习,大家可以参考这两篇：详细的可以看这两篇文献：Applied Optics Vol. 50, Issue 5, pp. 679-686 (2011)；Applied Optics，Vol. 57, No. 35 / 10 December 2018。这种机械扫描式的雷达用在车上，还是有很多限制。 图1 Risley prism MEMS或EWOD prism基的激光雷达虽然也有运动的部件，但是与传统的光学元件相比，体积小，运动速度快，可靠性高，可以看作一种是一种半固态雷达。MEMS或EWOD prism可以实现扫描，但是扫描角度不够，需要一个广角镜头（倒置使用） 来把MEMS或EWOD prism的扫描角度进一步放大，这种传统的球面或者非球面镜头会使系统结构非常复杂如图2所示，另外雷达扫描的区域在水平和竖直方向通常形成的是非对称的区域，这要用旋转对称的球面或非球面肯定不是最优的方案，而自由曲面解决这些问题具有天热的优势。 图2  （图片来源：Vol. 27, No. 4 | 18 Feb 2019 | Opt. Express 4408） 360度全景扫描的装置如图3，使用锥形镜，MEMS与水平保持一个固定角度，然后绕竖直轴360度旋转. 这种锥形镜水平和竖直方向的曲率也是不对称的，必然会导致输出光束在一个方向有好的准直性，另一个方向有比较大的发散，难以适应远距离的探测，如何补偿另一个方向的发散，那自由曲面也是很好的选择。详细的内容可以参考：A Compact Omnidirectional Laser Scanner Based on an Electrothermal Tripod Mems Mirror for Lidar Please Leave[C]// 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII). 2019. 图3 360度全景扫描的装置 相控阵列雷达或光开关阵列如图4，没有移动的部件所以应该是非常有其潜力的一种雷达，这种都是芯片级的所以尺寸比较小。然而这种要实现大的视场角，必然会引起其它性能的下降，比如光束质量，发散角，cross talk 等等。因此相控阵列或光开关阵列，还是需要光学系统来放大扫描角，因为水平和垂直方向扫描角度不一样，因此要设计结构紧凑，形成高光效，非对称的扫描区域，自由曲面就是优选了。 图4 （图片来源：1544 Vol. 7, No. 11 / November 2020 / Optica） 总结： 采用传统的球面与非球面，或者锥形面等构成的雷达光学系统，还是有比较大的制约性，应用自由曲面应该可以减少元件数量，结构变得紧凑，扫描实现非对称性视场，提供在有效扫描区域内光的利用率，在这方面我们已经开展了不少工作，效果还不错，因为专利的原因，过段时间给大家分享几个具体的案例。

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