CN104181691A - 基于mems微镜折叠式的扫描光学系统 - Google Patents

Abstract

基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，属于光学领域。解决了现有MEMS扫描系统，扫描视场角小的问题。它包括聚焦透镜组、MEMS微镜、f-θ透镜组和扩角透镜组；入射光经聚焦透镜组透射后，再经MEMS微镜反射后，入射至f-θ透镜组，经f-θ透镜组透射后，入射至扩角透镜组，经扩角透镜组扩角后的透射光与系统光轴的夹角为θ₂，且f₂小于f₁；其中，θ₁为经MEMS微镜反射的光与系统光轴的夹角，f₂表示扩角透镜组的有效像方焦距，f₁表示f-θ透镜组的焦距；所述的MEMS微镜的机械偏转角为[-4°,+4°]，夹角θ₁的范围是[-8°,+8°]。本发明主要应用在光学扫描领域。

Description

基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统

技术领域

本发明属于光学领域。

背景技术

新一代的激光雷达系统趋向于体积小型化、轻质量和成本低化，MEMS扫描的方式在其中发挥重要作用。但是MEMS微镜的机械偏转角较小，为了实现较大的扫描视场，一般需要增加扩角光学系统。通常的作法是在MEMS微镜前后分别加一片正透镜和一片负透镜，组成扩角光学系统。然而，这种简单的透镜组至少存在以下两点不足：

(1)从负透镜出射的激光束为发散光束，对于几米的较近目标而言，投射在目标上的光斑尺寸不会很大；而对于几十米、上百米甚至更远的目标而言，投射到目标上的光斑尺寸会变得很大，使其单位面积的能量变小，散射回来的激光能量占发射的激光总能量的比例较小，信噪比很低而难于被探测器接收到。

(2)扩展后的扫描角度一般较小，最多能达到40度，远小于60度。若大视场角大于60度时，经扩角光学透镜组后的激光束发散更严重。

发明内容

本发明是为了解决现有MEMS扫描系统，扫描视场角小的问题，本发明提供了一种MEMS折叠式扫描光学系统。

基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，它包括聚焦透镜组、MEMS微镜、f-θ透镜组和扩角透镜组；

入射光经聚焦透镜组透射后，再经MEMS微镜反射后，入射至f-θ透镜组，经f-θ透镜组透射后，入射至扩角透镜组，经扩角透镜组扩角后的透射光与系统光轴的夹角为θ₂，且 ${\mathrm{\θ}}_2=\arctan (\frac{f_1}{f_2}\·{\mathrm{\θ}}_1),$ f₂小于f₁；

其中，θ₁为经MEMS微镜反射的光与系统光轴的夹角，f₂表示扩角透镜组的有效像方焦距，f₁表示f-θ透镜组的焦距；

所述的MEMS微镜的机械偏转角为[-4°,+4°]，夹角θ₁的范围是[-8°,+8°]。

本发明带来的有益效果是：

本发明可以实现波长为1550nm、入射光斑大小为1～2mm的激光束对100m左右距离的目标进行60°大视场角的扫描。本发明用MEMS微镜作为扫描的核心器件，具有扫描速度快，扫描视场角大以及在目标上光斑较小等优点。

本发明的扩角部分根据入射到扩角透镜组上的光斑大小、透镜的焦距和视场角之间的关系来布局光学透镜；在已知扩角前的扫描角θ₁和扩角后的扫描角θ₂的情况下，选择合适的像高y,进而通过一大一小两个焦距的适当匹配来实现大视场角扫描的设计。

在MEMS微镜后的扩角系统中包含有两个远心光学透镜组——f-θ透镜组的像方远心和扩角透镜组的物方远心，既可以方便这两部分的对接，又可以方便地调节f-θ透镜组和扩角透镜组之间距离来得到目标上合适的光斑大小。

设激光束光强为均匀分布，直径为1mm，光束经过本发明的系统后，在目标距离分别为30m,60m,100m，160m处的光斑大小如下：

可见，最大的扫描角可以达到69.86°；在100m距离范围内光斑大小在10cm以下，若激光束光强分布用高斯形式，其相应值还会小一些。因此，本发明所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统用于60m到160m之间目标的扫描。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的原理示意图；

图2为具体实施方式二所述的聚焦透镜组的原理示意图；

图3为具体实施方式三所述的三片式f-θ透镜的原理示意图；

图4为具体实施方式四所述的七片式广角透镜组的原理示意图；

图5为具体实施方式四所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的原理示意图；

图6为焦距为100mm的三片式f-θ透镜的场曲示意图，其中附图标记S表示弧矢方向，T表示子午方向；

图7为焦距为100mm的三片式f-θ透镜的畸变示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，它包括聚焦透镜组1、MEMS微镜2、f-θ透镜组3和扩角透镜组4；

入射光经聚焦透镜组1透射后，再经MEMS微镜2反射后，入射至f-θ透镜组3，经f-θ透镜组3透射后，入射至扩角透镜组4，经扩角透镜组4扩角后的透射光与系统光轴的夹角为θ₂，且f₂小于f₁；

其中，θ₁为经MEMS微镜2反射的光与系统光轴的夹角，f₂表示扩角透镜组的有效像方焦距，f₁表示f-θ透镜组3的焦距；

所述的MEMS微镜2的机械偏转角为[-4°,+4°]，夹角θ₁的范围是[-8°,+8°]。

本实施方式中，f-θ透镜组3像平面上的像高y可以表示为：

y＝f₁·θ₁   (1)，

经扩角透镜组4扩角后的透射光与系统光轴的夹角为θ₂满足关系式：

y＝f₂·tanθ₂   (2)，

由式(1)和(2)有关系式联立得，

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan (\frac{f_1}{f_2}\·{\mathrm{\θ}}_1)---\left(3\right),$

显然，要对MEMS微镜2进行扩束，f₂必须要比f₁小，这是本扩束系统的关键条件；而且要求从扩角透镜组4出射的光束中的光线为平行或接近平行出射，这样才能使得投射在较远目标上的激光光斑较小。

各部件结构参数方案：

聚焦透镜组1的焦距f设定为100mm,MEMS微镜2到它的距离为23.5mm，MEMS微镜2的扫描角为θ₁＝±8°，f-θ透镜组3的焦距100mm，则f-θ透镜组3像面的最大像高为y＝13.96mm；系统扩角后的扫描角度为θ₂＝±30°，由式1和式2可以计算得到扩角透镜组4的入瞳口径应设为28mm，像方有效焦距24mm，其焦距与镜片直径的比值F数约为0.86。

在MEMS微镜后的扩角系统中包含有两个远心光学透镜组——f-θ透镜组3的像方远心和扩角透镜组4的物方远心，既可以方便这两部分的对接，又可以方便地调节f-θ透镜组3和扩角透镜组4之间距离来得到目标上合适的光斑大小。

本实施方式中的，图1中的入射至聚焦透镜组1的两条光线表示一束光。

具体实施方式二：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的区别在于，所述的聚焦透镜组1为两片式前置正透镜组，两片式前置正透镜组包括共轴的1号凸透镜1-1和1号凹透镜1-2，且该1号凸透镜1-1的入射面为两片式前置正透镜组的入射面，所述的1号凸透镜1-1和1号凹透镜1-2的材料不同，且均适用1550nm波长的激光。

本实施方式，正如图2所示，MEMS前面的1号凸透镜1-1和1号凹透镜1-2组成的聚焦透镜组，聚焦透镜组1焦距可设计为100mm。它由两种不同的适用于1550nm光的红外折射率材料组成。

具体实施方式三：参见图1和3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的区别在于，所述的f-θ透镜组3为三片式f-θ透镜，所述的三片式f-θ透镜包括共轴的三块透镜，所述的共轴的三块透镜依次为2号凹透镜3-1、2号凸透镜3-2、3号凸透镜3-3，且2号凹透镜3-1的入射面为f-θ透镜组3的入射面。

本实施方式，正如图3所示，三片式f-θ透镜由三块镜片构成，三片式f-θ透镜的最佳焦距为100mm。三块透镜依次为2号凹透镜3-1、2号凸透镜3-2、3号凸透镜3-3，且它们的材料分别为熔融石英玻璃F_SILICA,SF18，SF18。2号凹透镜3-1的镜片弯向入射光束侧。其曲率半径在表1中列出，它们的中心厚度也在表2中列出。经过多次优化，其MTF函数和点列图SPD均达到衍射极限，相对畸变小于0.02％，如图6和图7所示，其中图6中的S表示弧矢方向，T表示子午方向。它优化为像方远心系统，在像面的最大像高为13.9mm，最大扫描角为8°，工作波长1550nm。

K5表示2号凹透镜3-1的第一面，K6表示2号凹透镜3-1的第二面，K7表示2号凸透镜3-2的第一面，K8表示2号凸透镜3-2的第二面，K9表示3号凸透镜3-3的第一面，K10表示3号凸透镜3-3的第二面。

表1.焦距为100mm的f-θ透镜组的参数(单位：mm)

具体实施方式四：参见图1、4和5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的区别在于，所述的扩角透镜组4为七片式广角透镜组，所述的七片式广角透镜组包括四片式正透镜组4-1、光阑4-2和三片式望远镜4-3，且光阑4-2位于四片式正透镜组4-1和三片式望远镜4-3之间，四片式正透镜组4-1的入射面为七片式广角透镜组的入射面。

本实施方式，扩角透镜组4的焦距设为24mm,此扩角透镜组要求出射的光束为平行光或近平行光，且视场角为60°。将出射光优化成平行光不容易做到，因而我们根据光路可逆原理采用反向设计思路，具体做法是：使物处于无限远处，视场角为±30°，入瞳口径为28mm，最后优化成有效焦距为24mm、最大像高为14mm的像方远心光路(如图4所示，设计时由镜面K22到镜面K11的方向进行)。从镜面K11到K22的扩角透镜组可以看成两部分构成，其中镜面K22，K21，K20，K19，K18组成一个从光阑4-2左边看为负正透镜型的望远镜；镜面K17至K11依次组成一个焦距为48mm视场为±15°的正透镜组，其像高是光阑4-2右边部分像高的2倍。光阑4-2放在它们之间，这样，通过优化可以实现整个扩角透镜组视场角为60°，焦距为24mm。

表2.基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统设计数据(单位：mm)

**表示的是MEMS微镜,在光学设计软件中用平面镜表示,平面镜后所有表面的曲率半径和表面之间的间隔均为原值的相反数。

表2中，K2与K3之间的空气间隔为0.8544276mm，K4与K5间的空气间隔为23.5mm，K6与K7间的空气间隔为-4.254177mm，K8与K9间的空气间隔为-6.447925mm，K10与K11间的空气间隔为-19.4mm，K12与K13间的空气间隔为-0.5mm，K14与K15间的空气间隔为-0.5mm，K20与K21的空气间隔为-15mm。

具体实施方式五：参见图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的区别在于，所述的聚焦透镜组1为焦距150mm正胶合透镜、焦距100mm正胶合透镜或焦距200mm正胶合透镜。

聚焦透镜组1可以是焦距为100mm的正胶合透镜或大于焦距100mm的正胶合透镜，例如焦距为150mm，200mm等，其整体的结构分别如图5所示，它们的镜面K1到镜面K10的镜头数据分别在表3，表4，表5中给出，其余镜头数据不变。

表3.聚焦透镜组1用焦距100mm正胶合镜替换时的部分设计数据(单位：mm)

表3中，K6与K7之间的空气间隔为4.254177mm，K8与K9间的空气间隔为6.447925mm，K10与K11间的空气间隔为25.0227mm。

表4.聚焦透镜组1用焦距150mm正胶合镜替换时的部分设计数据(单位：mm)

表4中，K6与K7之间的空气间隔为4.254177mm，K8与K9间的空气间隔为6.447925mm，K10与K11间的空气间隔为-74.856mm，

表5.聚焦透镜组1用焦距200mm正胶合镜替换时的部分设计数据(单位：mm)

表5中，K6与K7之间的空气间隔为4.254177mm，K8与K9间的空气间隔为6.447925mm，K10与K11间的空气间隔为95.50mm。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的区别在于，所述的1号凸透镜1-1为熔融石英玻璃材料F_SILICA，折射率为1.458464；1号凹透镜1-2为SF18玻璃,折射率为1.72151。

本实施方式中，1号凸透镜1-1为熔融石英玻璃材料F_SILICA，折射率为1.458464，1号凸透镜1-1的第一个面K1的曲率半径r₁设计为51.835mm,1号凸透镜1-1的第二个面K2的曲率半径r₂为-38.419mm，1号凸透镜1-1的中心厚度为4.63mm；1号凹透镜1-2为SF18玻璃,折射率为1.72151，1号凹透镜1-2的第一个面K3的曲率半径r₃＝-38.212mm,第二个面K4的曲率半径r₄＝-88.516mm,1号凹透镜1-2的中心厚度为2.33mm；两片玻璃的入瞳口径均为20mm。

本发明所述基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (6)

1.基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，它包括聚焦透镜组(1)、MEMS微镜(2)、f-θ透镜组(3)和扩角透镜组(4)；

入射光经聚焦透镜组(1)透射后，再经MEMS微镜(2)反射后，入射至f-θ透镜组(3)，经f-θ透镜组(3)透射后，入射至扩角透镜组(4)，经扩角透镜组(4)扩角后的透射光与系统光轴的夹角为θ₂，且f₂小于f₁；

其中，θ₁为经MEMS微镜(2)反射的光与系统光轴的夹角，f₂表示扩角透镜组的有效像方焦距，f₁表示f-θ透镜组(3)的焦距；

所述的MEMS微镜(2)的机械偏转角为[-4°,+4°]，夹角θ₁的范围是[-8°,+8°]。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，所述的聚焦透镜组(1)为两片式前置正透镜组，两片式前置正透镜组包括共轴的1号凸透镜(1-1)和1号凹透镜(1-2)，且该1号凸透镜(1-1)的入射面为两片式前置正透镜组的入射面，所述的1号凸透镜(1-1)和1号凹透镜(1-2)的材料不同，且均适用1550nm波长的激光。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，所述的f-θ透镜组(3)为三片式f-θ透镜，所述的三片式f-θ透镜包括共轴的三块透镜，所述的共轴的三块透镜依次为2号凹透镜(3-1)、2号凸透镜(3-2)、3号凸透镜(3-3)，且2号凹透镜(3-1)的入射面为f-θ透镜组(3)的入射面。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，所述的扩角透镜组(4)为七片式广角透镜组，所述的七片式广角透镜组包括四片式正透镜组(4-1)、光阑(4-2)和三片式望远镜(4-3)，且光阑(4-2)位于四片式正透镜组(4-1)和三片式望远镜(4-3)之间，四片式正透镜组(4-1)的入射面为七片式广角透镜组的入射面。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，所述的聚焦透镜组(1)为焦距150mm正胶合透镜、焦距100mm正胶合透镜或焦距200mm正胶合透镜。

6.根据权利要求2所述的基于MEMS微镜折叠式的扫描光学系统，其特征在于，所述的1号凸透镜(1-1)为熔融石英玻璃材料F_SILICA，折射率为1.458464；1号凹透镜(1-2)为SF18玻璃,折射率为1.72151。