基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统

本发明涉及微纳光学，尤其涉及一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统。

背景技术：

1、随着社会的不断进步，新兴领域如可穿戴近眼显示器、自动驾驶车辆以及卫星成像等不断涌现，对小型、轻量化光学系统的需求变得越发紧迫。在众多光学系统中，折射透镜扮演着核心的角色，是重要的传统光学元件。然而，传统的像差校正折射透镜系统体积和重量相对较大，与当今对小型、轻量化的需求相悖。幸运的是，现有的光学设计技术和微纳加工技术已经能够有效解决这一问题。

2、超透镜是一种由亚波长结构组成的阵列，这些结构在调控光的相位、振幅和偏振等方面都发挥着关键作用。通过精心设计基本的原子结构以及它们在平面表面的分布，能够随意调整波前形状。其轻巧、紧凑、经济、设计自由度大、聚焦质量高等多重优势使得超透镜正逐渐替代传统的光学透镜，成为首选。这种趋势与当前追求光学系统小型化和轻量化的发展方向相一致，为各种现代光学应用提供了全新的可能性。

3、激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。激光雷达利用发射的激光光束探测目标并从反射光中获得目标的位置、速度等特征信息。激光雷达使用的波长通常为800-1550nm，目前主流波长是905nm和1550nm。激光雷达的主要评价指标包括探测距离、扫描角度、分辨率、扫描速率等。

4、传统的基于机械结构光束扫描模块的激光雷达系统结构复杂，组装困难，且体积大、功耗大、成本高、扫描速率低，难以匹配现代小型、轻量化的需求。相比机械光束扫描激光雷达，全固态激光雷达具备紧凑、稳定、耐用、快速等优势，逐渐走进研究人员的视野。其中，最为典型的是硅基光学相控阵(opa)。目前，硅基opa可以实现较大角度和较大精度的一维扫描。然而，opa仍存在视场角不够大的问题，较高分辨率激光雷达的扫描角度一般在10°以内。因此，如何增大二维激光雷达的扫描角度、同时保持较高的分辨率和较紧凑的结构就成为一个亟待解决的问题。

5、已有一些方案被提出来解决上述问题，如级联液晶偏振光栅，通过光栅结构增加偏转动量，可以不牺牲扫描精度，但受限于液晶分子的偏转速度(<1khz)。传统的倒置望远镜结构不会降低扫描速率，但会增大系统体积。而采用超透镜光学系统，由于工艺限制，难以制造大口径(厘米级)的超透镜，因此无法应用于大口径激光雷达，限制了其探测距离。本专利通过将超透镜和折射透镜结合，不会降低扫描速率，相较于纯折射透镜系统大大减小了系统体积，且可以应用于大口径激光雷达，探测距离长，具有重要的科学意义和实际价值。

6、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前激光雷达光束扫描系统不能同时兼顾实现大扫描角度、小系统体积、大口径、高扫描速率、高分辨率的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，该系统包括间隔布置的小发射角度opa激光雷达、折射透镜组和超透镜；激光雷达不同出射角度的扫描光束通过折射透镜组聚焦，之后通过超透镜偏折；其中超透镜具有纳米结构阵列构成的纳米结构层，通过对偏折角和发散角赋权优化，使得所有扫描角度的偏折角均等于目标偏折角。

3、进一步地，激光雷达出射的扫描光束，包括正扫描光束和斜扫描光束，满足各种扫描角度的光束处理。

4、进一步地，所述超透镜包括基底层和纳米结构层；所述基底层用于传输光束，所述纳米结构层位于基底层上方，用于实现光束偏折。

5、进一步地，所述纳米结构层由周期性排列纳米结构阵列构成，实现光束偏折功能。

6、进一步地，纳米结构阵列满足的相位分布如下：

7、

8、其中，为纳米结构阵列的相位分布，λ为扫描光束波长，r为实际环带半径，f为焦距系数。

9、进一步地，调整焦距系数f以降低优化如下函数fom：

10、

11、其中，i为激光雷达不同出射角度，为偏折角权重，θi为偏折角，θi,target为目标偏折角，为发散角权重，αi为发散角，目标发散角为0；优化目标为使光束在所有扫描角度的偏折角均等于目标偏折角，且发散角尽量小。

12、进一步地，所述纳米结构阵列的直径为1-10mm。

13、进一步地，折射透镜组包含一个或多个折射透镜。

14、本发明的有益效果：

15、(1)本发明通过激光雷达出射扫描光束，扫描光束先经过折射透镜进行一次折射，后进入超透镜的基底层、纳米结构层，纳米结构层能够实现扫描光束大角度偏转，偏振角度不敏感，解决了现有激光雷达光束扫描系统不能同时兼顾实现大扫描角度、小系统体积、高扫描速率、高分辨率、长探测距离的问题，有利于实现高性能的光束扫描效果，能够满足各种扫描角度的光束处理；

16、(2)基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统中，激光雷达出射激光的偏振角度对成像结果不会有影响，偏振角度不敏感；

17、(3)基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统结构件少，使用单个折射透镜(可多个)和单个超透镜实现光束偏折，符合当前对于小型、轻量化的光学器件的要求，易于集成到自动驾驶车辆和飞机等探测设备中，在增大扫描角度的同时减小体积和重量。

技术特征：

1.一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，该系统包括间隔布置的激光雷达、折射透镜组和超透镜；激光雷达不同出射角度的扫描光束通过折射透镜组聚焦，之后通过超透镜偏折；其中超透镜具有纳米结构阵列构成的纳米结构层，通过对偏折角和发散角赋权优化，使得所有扫描角度的偏折角均等于目标偏折角。

2.根据权利要求1所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，激光雷达出射的扫描光束，包括正扫描光束和斜扫描光束，满足各种扫描角度的光束处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，所述超透镜包括基底层和纳米结构层；所述基底层用于传输光束，所述纳米结构层位于基底层上方，用于实现光束偏折。

4.根据权利要求3所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，所述纳米结构层由周期性排列纳米结构阵列构成，实现光束偏折功能。

5.根据权利要求4所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，纳米结构阵列满足的相位分布如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，调整焦距系数f以降低优化如下函数fom：

7.根据权利要求4所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，所述纳米结构阵列的直径为1-10mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，其特征在于，折射透镜组包含一个或多个折射透镜。

技术总结本发明公开了一种基于超透镜和折射透镜结合的激光雷达光束扫描系统，该系统包括间隔布置的激光雷达、折射透镜和超透镜；激光雷达不同出射角度的扫描光束通过折射透镜聚焦，之后通过超透镜偏折；其中超透镜具有纳米结构阵列构成的纳米结构层，通过对偏折角和发散角赋权优化，使得所有扫描角度的偏折角均等于目标偏折角。本发明纳米结构层能够实现扫描光束大角度偏转，偏振角度不敏感，解决了现有激光雷达光束扫描系统不能同时兼顾实现大扫描角度、小系统体积、高扫描速率、高分辨率、长探测距离的问题，有利于实现高性能的光束扫描效果，能够满足各种扫描角度的光束处理。技术研发人员：魏凯,朱智豪,汤明炜,李枫受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18