CN114545370A - 激光雷达发射系统及其对应的接收系统 - Google Patents

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lidar
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郝成龙
谭凤泽
朱瑞
朱健
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Abstract

本发明提供了一种激光雷达发射系统及其对应的接收系统，属于光学技术领域。该激光雷达发射系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和光源；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜同轴，并且依次设置于所述光源的发光侧；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中至少一个为超透镜；所述超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，所述纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。本申请实施例提供的激光雷达接收系统与发射系统的原理类似。该激光雷达发射系统及其对应的接收系统通过采用至少一个超透镜，减少了激光雷达发射系统及其对应的接收系统的透镜数量，从而减小了系统总长和工作距离，促进了激光雷达的小型化和轻量化。

Description

激光雷达发射系统及其对应的接收系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达发射系统及其对应的接收系统。
背景技术
激光雷达(Lidar，Laser Detecting and Ranging)，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。通常，激光雷达包括发射系统、接收系统、信息处理系统和扫描系统。其中，激光雷达发射系统包括多组折射透镜组成的光学系统和光源。
为了减小激光雷达的体积，需要尽可能地抑制激光雷达发射系统及接收系统的系统总长(TTL，Total Track Length)和工作距。激光雷达发射系统的系统总长指的是沿出射方向，发射系统中的最后一片透镜的中心到光源发光面中心的距离。激光雷达接收系统的系统总长指的是沿入射方向，接收系统中透镜的第一片光学元件的中心到焦平面中心的距离。因此，透镜厚度越小、透镜数量越少以及透镜之间的间距越短，则系统总长越小。
然而，为了保证激光雷达的光学性能，现有激光雷达发射系统及接收系统至少需要四组折射透镜，这也导致如何压缩激光雷达发射系统及接收系统的系统总长陷入了瓶颈。
发明内容
为解决现有技术中压缩系统总长陷入瓶颈的技术问题，本申请实施例提供一种激光雷达发射系统及其对应的接收系统。
一方面，本申请实施例提供了一种激光雷达接收系统，该激光雷达发射系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和光源；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜同轴，并且依次设置于所述光源的发光侧；
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中至少一个为超透镜；
所述超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，所述纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。
可选地，所述激光雷达发射系统满足：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3)；
其中，Φt为所述激光雷达发射系统的系统光焦度；Φ1、Φ2和Φ3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光焦度；d2为所述第一透镜和所述第二透镜的间距，d3为所述第二透镜和所述第三透镜的间距。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少满足如下任一公式：
Figure BDA0003521182340000021
Figure BDA0003521182340000022
Figure BDA0003521182340000023
Figure BDA0003521182340000024
其中，
Figure BDA0003521182340000025
为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的相位；r为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜上任意一点的坐标；f为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的焦距。
可选地，所述光源发出的第一光线依次经所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜调制，以第二光线射出；所述第二光线的发散角θ满足：
θ＝arctan(hΦt)；
其中，h为所述光源发光面的半高度；Φt为所述激光雷达发射系统的系统光焦度。
可选地，所述光源发出的第一光线依次经所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜调制，以第二光线射出；
所述第二光线的发散角小于或等于0.3°。
可选地，所述激光雷达发射系统的工作距与等效焦距的比值满足：
WD/FL≤0.1；
其中，WD为所述激光雷达发射系统的工作距；FL为所述激光雷达发射系统的等效焦距。
可选地，所述激光雷达发射系统的系统总长与等效焦距的比值满足：
TTL/FL≤0.1；
其中，TTL为所述激光雷达发射系统的系统总长；FL为所述激光雷达发射系统的等效焦距。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为超透镜。
可选地，所述激光雷达发射系统还包括第四透镜；
所述第四透镜设置于所述第三透镜远离所述光源的一侧；
所述第四透镜为超透镜或折射透镜。
可选地，所述激光雷达发射系统中光线的传播矩阵满足：
Figure BDA0003521182340000031
其中，S为所述激光雷达发射系统中光线的传播矩阵；Φ1、Φ2、Φ3和Φ4分别为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的相位；d2为所述第一透镜和所述第二透镜的间距；d3为所述第二透镜和所述第三透镜的间距；d4为所述第三透镜和所述第四透镜(400)的间距。
可选地，所述激光雷达发射系统的工作波段包括850nm、905nm、940nm和1550nm。
可选地，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的至少一种或多种。
可选地，所述纳米结构包括偏振相关结构。
可选地，所述纳米结构包括偏振无关结构。
另一方面，本申请实施例提供一种激光雷达接收系统，该接收系统包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；
其中，所述第三透镜、所述第二透镜和所述第一透镜沿着激光入射方向依次同轴设置；
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中至少一个为超透镜；
所述超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，所述纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。
可选地，所述激光雷达接收系统满足：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3)
其中，Φt为所述激光雷达接收系统的系统光焦度；Φ1、Φ2和Φ3分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光焦度；d2为所述第一透镜和所述第二透镜的间距，d3为所述第二透镜和所述第三透镜的间距。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少满足如下任一公式：
Figure BDA0003521182340000041
Figure BDA0003521182340000042
Figure BDA0003521182340000043
Figure BDA0003521182340000044
其中，
Figure BDA0003521182340000045
为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的相位；r为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜上任意一点的坐标；f为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的焦距，φ0为任意一常数相位。
可选地，所述激光雷达接收系统的分离度大于或等于6mm；
所述分离度为所述激光雷达接收系统的中心视场和边缘视场在焦平面上的分离距离，分离度与系统总长度(TTL)之比大于等于0.04。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为超透镜。
可选地，所述激光雷达接收系统的瞬时入射角小于或等于1°。
可选地，所述激光雷达接收系统还包括第四透镜；
所述第四透镜与所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜同轴设置；
所述第四透镜为超透镜或折射透镜。
可选地，所述激光雷达接收系统中光线的传播矩阵满足：
Figure BDA0003521182340000051
其中，S为所述激光雷达接收系统中光线的传播矩阵；Φ1、Φ2、Φ3和Φ4分别为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的相位；d2为所述第一透镜和所述第二透镜的间距；d3为所述第二透镜和所述第三透镜的间距；d4为所述第三透镜和所述第四透镜的间距。
可选地，所述激光雷达接收系统的工作波段包括850nm、905nm、940nm和1550nm。
可选地，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的至少一种或多种。
可选地，所述纳米结构包括偏振相关结构。
可选地，所述纳米结构包括偏振无关结构。
再一方面，本申请实施例还提供了一种激光雷达，包含了上述任一实施例提供的激光雷达发射系统和/或激光雷达接收系统。本发明实施例提供的激光雷达发射系统，至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供的激光雷达发射系统通过至少一片超透镜减少了激光雷达发射系统的透镜数量，并且通过至少一片超透镜压缩了激光雷达发射系统的系统总长和工作距。该激光雷达发射系统还通过至少一片超透镜提高了出射光线的发散角，从而使经过该激光雷达发射系统的出射光线的发散角小于0.3°。本申请实施例通过采用至少一个超透镜，使激光雷达发射系统同时满足小系统总长、小工作距和高准直度，从而促进了激光雷达发射系统的小型化和轻量化。本申请实施例提供的激光雷达发射系统具有重量轻、体积小、结构简单、成本低的优点。
本申请实施例提供的激光雷达接收系统通过至少一片超透镜减少了激光雷达接收系统的透镜数量，并且通过至少一片超透镜压缩了激光雷达接收系统的系统总长和后截距。该激光雷达接收系统还通过至少一片超透镜提高了成像效果。本申请实施例通过采用至少一个超透镜，使激光雷达接收系统同时满足小系统总长、小后截距和大分离度，从而促进了激光雷达接收系统的小型化和轻量化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本发明实施例所提供的激光雷达发射系统的一种可选的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选的结构示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的纳米结构的一种可选结构示意图；
图4示出了本申请实施例所提供的纳米结构的又一种可选结构示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的超结构单元的一种可选结构示意图；
图6示出了本申请实施例所提供的超结构单元的又一种可选结构示意图；
图7示出了本申请实施例所提供的超结构单元的又一种可选结构示意图；
图8示出了本申请实施例所提供的一种可选的纳米结构的透过率与相位调制关系图；
图9示出了本申请实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选结构示意图；
图10示出了本申请实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选结构示意图；
图11示出了本申请实施例所提供的激光雷达接收系统的一种可选结构示意图；
图12示出了本申请实施例所提供的激光雷达接收系统的一种可选结构示意图。
图中附图标记分别表示：
100-第一透镜；200-第二透镜；300-第三透镜；400-第四透镜；
500-光源。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
激光雷达发射系统的工作距(WD，Working Distance)是指沿出射方向，光源发光面到发射系统中第一个透镜表面的距离。除了减少透镜数量、减小透镜厚度以及缩短透镜之间的间距之外，还可以通过减小工作距来减少激光雷达发射系统的体积。需要说明的是，工作距越小，越有利于激光雷达发射系统的集成。
出射光线的准直度是评价激光雷达发射系统光学性能的重要指标之一。通过减小系统总长和工作距来压缩激光雷达发射系统的体积，需要以保证其光学性能为前提。现有的激光雷达发射系统，一般由至少四组折射透镜构成，此类结构很难同时满足小系统总长、小工作距且具有高准直度的要求。但是，随着激光雷达在消费级电子和汽车电子产业中的落地使用，其小型化成为一个亟需解决的问题。
因此，亟需一种同时满足小系统总长、小工作距且准直度高的激光雷达发射系统。
图1和图2示出了本发明实施例所提供的一种激光雷达发射系统。如图1和图2所示，该激光雷达发射系统包括第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和光源500。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300同轴，并且依次设置于光源500的发光侧。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300中至少一个为超透镜，该超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。特征尺寸包括纳米结构的直径、周长和高度等尺寸。亚波长尺寸是指小于或等于入射波长，或者在一些情况下可以略大于入射波长的尺寸。
具体而言，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300同光轴依次设置在光源500的发光侧。光源500发出的第一光线经过第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300后以第二光线出射，第二光线的发散角小于或等于0.3°。该激光雷达发射系统的工作距(WD)与等效焦距(FL，Focal Length)的比值小于0.1，即WD/FL≤0.1。该激光雷达发射系统的系统总长(TTL)与等效焦距(FL，Focal Length)的比值小于0.1，即TTL/FL≤0.1。
更具体地，超透镜为超表面的一种具体应用，超表面通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。图3和图4示出了本申请实施例提供的激光雷达发射系统所采用的超透镜的一个纳米结构的透视图。可选地，超透镜上各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。如图3所示，纳米结构可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。如图4所示，纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
根据本申请的实施方式，超透镜包括基板和设置在基板上的微结构层，如图5至图7所示，其中微结构层包括布置成阵列的超结构单元。
如图5所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图6所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图7所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。
根据本申请的实施方式，超结构单元可以具有纳米结构。如图5至图7所示，根据本申请的实施方式，每个微结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有纳米结构。根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。可选地，本申请实施例中超透镜的工作波段为激光雷达的常用波段，包括近红外波段，例如850nm、905nm、940nm和1550nm等波段。根据本申请的实施方式，纳米结构在近红外光波段具有高透射率。根据本申请的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。
本申请实施例所提供的一种可选的纳米结构的透过率与相位调制关系如图8所示。图8示出了，1200nm高的硅纳米结构在周期为600nm的正四边形排列下的透过率与相位调制关系图。
进一步地，为了使该激光雷达发射系统中第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的设计更灵活，在保证第二光线准直度小于等于0.3°的前提下，进一步减少TTL和BFL，该激光雷达发射系统需满足如下公式：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3) (1)。
公式(1)中，Φt为该激光雷达发射系统的系统光焦度。Φ1、Φ2和Φ3分别为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度。d2为第一透镜100和第二透镜200的间距，d3为第二透镜200和第三透镜300的间距。在同样的准直度下，满足公式(1)的激光雷达发射系统的TTL和BFL比不满足公式(1)的更小。也就是说，只要第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300满足公式(1)，各个透镜之间的距离和每个透镜的光焦度都可以灵活设计。
该激光雷达发射系统射出的第二光线的发散角θ满足公式(2)：
θ＝arc tan(hφt)≤θmin (2)。
公式(2)中，h为光源500发光面的半高度，θmin为激光雷达设计要求的最小发散角，优选θmin≤0.3°。
该激光雷达发射系统的工作距满足公式(3)：
WD＝d1≤WDmin (3)；
其中，WDmin为激光雷达设计要求的最小工作距；d1为光源500的发光面到第一透镜100的距离。
该激光雷达发射系统的系统总长满足公式(4)：
TTL＝d1+d2+d3≤TTLmin (4)；
其中，TTLmin为激光雷达设计要求的最小系统总长。
根据公式(1)至(4)，可以由TTL、WD和θ可以优化得到初始的结构参数d2、d3、Φ1、Φ2和Φ3。
更进一步地，为了提高该激光雷达发射系统射出的第二光线的准直度，可以对第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位进行优化，使第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位分布至少满足下述公式(5)至公式(8)中任意一个：
Figure BDA0003521182340000111
Figure BDA0003521182340000112
Figure BDA0003521182340000113
Figure BDA0003521182340000121
上述公式(7)至公式(10)中，
Figure BDA0003521182340000122
为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位；r为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300上任意一点的坐标；f为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的焦距。示例性地，第一透镜100的焦距为f1，第二透镜200的焦距为f2，第三透镜300的焦距为f3。透镜的相位可以用高次多项式进行表达，其中，公式(6)、(7)(8)可以对透镜的奇次相位进行优化而不破坏其旋转对称性，增加了透镜的优化自由度。其中，公式(5)中a1小于零，而公式(6)、(7)和(8)中a2小于零。
由上可知，本申请实施所提供的激光雷达发射系统中，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300中至少一个为超透镜，只要第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300满足公式(1)即可。优选地，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位还至少满足公式(7)至公式(10)中任意一个。由于超透镜相比传统折射透镜至少具有重量轻、厚度薄、成本低等优点，所以，如图1所示，更优选地，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300均为超透镜。根据本申请的实施方式，如图2所示，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300中任一或任意两个可以为折射透镜。优选地，第三透镜300为折射透镜。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300中的折射透镜与相邻光学元件的间距是指该折射透镜的主面到相邻光学元件的距离。
示例性地，本申请实施例提供了一种激光雷达发射系统，如图1所示，该激光雷达发射系统包括第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和光源500。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300均为超透镜，该超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度分别为Φ1、Φ2和Φ3，焦距分别为f1、f2和f3；光源500的发光面到第一透镜100的距离为d1；第一透镜100和第二透镜200的间距为d2，第二透镜200和第三透镜300的间距为d3。该激光雷达发射系统的系统光焦度为Φt。该激光雷达发射系统的关键参数如表1所示，工作波段为1550nm。
表1
系统总长度(TTL) 30mm
工作距(WD) 3mm
焦距(F) 80mm
光源半高(h) 0.1mm
准直后发散角(θ) 0.2°
光源500的外接圆直径为200μm的光源500经该激光雷达发射系统的准直后，第二光线的发散角小于0.2°，满足扫描式激光雷达发射系统的要求。
相比于上述实施例提供的三片式的激光雷达发射系统，为了更好地压缩该激光雷达发射系统总长(TTL)和工作距(WD)，更有利于激光雷达发射系统的小型化，从而促进激光雷达的小型化。本申请实施例在上述任一实施例提供的激光雷达发射系统的基础上还包括第四透镜400，第四透镜400设置于第三透镜300远离光源500的一侧，形成四片式光学系统。如图9和图10所示，第四透镜400可以是超透镜，也可以是折射透镜。优选地，第四透镜400为超透镜。第四透镜400的光焦度为Φ4，焦距为f4。
本申请实施例提供的激光雷达发射系统中光线的传播矩阵S如公式(9)所示：
Figure BDA0003521182340000131
由公式(9)可以推出公式(10)：
Figure BDA0003521182340000141
该激光雷达发射系统的系统光焦度如公式(11)所示：
φt＝-S[4]21 (11)。
该激光雷达发射系统的出射光线的发散角如公式(12)所示：
θ＝arctan(hφt)≤θmin (12)。
该激光雷达发射系统的工作距如公式(13)所示：
WD＝d1≤WDmin (13)。
该激光雷达发射系统的系统总长如公式(14)所示：
TTL＝d1+d2+d3+d4≤TTLmin (14)。
示例性地，本申请实施例提供了一种激光雷达发射系统，如图9所示，该激光雷达发射系统包括第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400和光源500。其中，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400均为超透镜。并且，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400同光轴依次设置在光源500的发光侧。光源500发出的第一光线经过第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400的调制，以第二光线射出。该激光雷达发射系统的关键参数如表2所示，工作波段为1550nm。
表2
系统总长度(TTL) 25mm
工作距(WD) 2mm
焦距(F) 80mm
光源半高(h) 0.1mm
准直后发散角(θ) 0.15°
200μm的光源500经该激光雷达发射系统中第一透镜100、第二透镜200、第二透镜300和第四透镜400调制后，出射的第二光线的发散角小于0.15°，符合扫描式激光雷达发射系统需求。
本申请实施例提供的激光雷达发射系统所采用的超透镜可以由半导体工艺加工实现量产。半导体工艺可以降低超透镜的成本，提高超透镜的量产一致性。
综上所述，本申请实施例提供的激光雷达发射系统通过至少一片超透镜减少了激光雷达发射系统的透镜数量，并且通过至少一片超透镜压缩了激光雷达发射系统的系统总长和工作距。该激光雷达发射系统还通过至少一片超透镜提高了出射光线的发散角，从而使经过该激光雷达发射系统的出射光线的发散角小于0.3°。本申请实施例通过采用至少一个超透镜，使激光雷达发射系统同时满足小系统总长、小工作距和高准直度，从而促进了激光雷达发射系统的小型化和轻量化。本申请实施例提供的激光雷达发射系统具有重量轻、体积小、结构简单、成本低的优点。
需要说明的是，由于光路是可逆的，本申请实施例提供的激光雷达发射系统中包括至少一个超透镜的光学系统的原理可用于激光雷达接收系统，以促进激光雷达接收系统的小型化。
通常，激光雷达包括发射系统、接收系统、信息处理系统和扫描系统。其中，激光雷达接收系统包括多组折射透镜组成的光学系统和光电探测器。
为了减小激光雷达的体积，需要尽可能地抑制激光雷达接收系统的系统总长(TTL，Total Track Length)。激光雷达接收系统的系统总长指的是沿入射方向，接收系统中透镜的第一片光学元件的中心到焦平面中心的距离。因此，透镜厚度越小、透镜数量越少以及透镜的焦距越短，则系统总长越小。
然而，为了保证激光雷达的光学性能，现有激光雷达接收系统至少需要四组折射透镜，这也导致如何压缩激光雷达接收系统的系统总长陷入了瓶颈。
光学系统是激光雷达接收系统的核心元件之一。除了减少系统总长，还可以通过控制激光雷达接收系统的后截距(BFL，Back Focal Length)压缩激光雷达接收系统的尺寸。后截距指的是激光雷达接收系统中最后一个透镜表面到焦平面的距离。后截距越小，激光雷达接收系统对入射光的聚集能力更佳，并且更有利于激光雷达接收系统中光电探测器与光学系统的集成。
此外，激光雷达接收系统的性能还受到分离度(SD，Separation Distance)的影响。分离度是指激光雷达接收系统的中心视场和边缘视场在焦平面上的分离距离。在相同的探测范围下，分离度越大的激光雷达的成像效果越好。通常，为了提高激光雷达接收系统的信噪比，减少背景辐射对激光雷达接收系统的干扰，设计时优先选择减少θ值，θ值是激光雷达扫描时，激光雷达接收系统的瞬时入射角。θ值越小，激光雷达扫描时瞬时接收的入射激光的入射角越小，激光雷达接收系统的精度越高。如图11所示，θ值越高，则视场边缘的光线与光轴的夹角θ越小，分离度越小。然而，如何在减少θ值的同时，保证较大的分离度是激光雷达设计的又一难题。传统激光雷达系统设计认为仅有四组折射透镜很难同时满足小TTL、小BFL且SD较大这三个要求。而将上述激光雷达发射系统的光学系统直接应用于激光雷达发射系统不能满足激光雷达接收系统对分离度的要求。若完全按照激光雷达发射系统的设计方法设计满足分离度要求的激光雷达接收系统，则所得激光雷达接收系统体积庞大。
因此，在激光雷达小型化过程中，亟需一种激光雷达接收系统同时满足小TTL、小BFL且SD较大这三个要求。
图11示出了本申请实施例所提供的激光雷达接收系统的一种可选的实施方式。如图11所示，该激光雷达接收系统包括第三透镜300、第二透镜200和第一透镜100。其中，第三透镜300、第二透镜200和第一透镜100沿着激光入射方向依次同轴设置。前述第三透镜300、第二透镜200和第一透镜100中至少一个为超透镜，该超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。特征尺寸包括纳米结构的直径、周长和高度等尺寸。亚波长尺寸是指小于或等于入射波长，或者在一些情况下可以略大于入射波长的尺寸。
具体而言，第三透镜300、第二透镜200和第一透镜100组成光学系统，当本申请实施例提供的激光雷达接收系统用于接收物体反射的激光时，激光从第三透镜300射入，经过第三透镜300、第二透镜200和第一透镜100的共同调制后，从第一透镜100射出并在该激光雷达接收系统的焦平面上成像。在同样的成像效果下，由于透镜数量的减少使该激光雷达接收系统的系统总长相比传统激光雷达接收系统明显减小。并且，由于一组传统折射透镜是由多片透镜组合形成，其厚度远大于单片的超透镜，所以包括至少四组折射透镜的传统激光雷达接收系统，其体积远大于本申请实施例提供的激光雷达接收系统。
具体而言，超透镜为超表面的一种具体应用，超表面通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。图3和图4示出了本申请实施例提供的激光雷达接收系统所采用的超透镜的一个纳米结构的透视图。可选地，超透镜上各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。如图3所示，纳米结构可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。如图4所示，纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
根据本申请的实施方式，超透镜包括基板和设置在基板上的微结构层，如图5至图7所示，其中微结构层包括布置成阵列的超结构单元。
如图5所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图6所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图7所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。
根据本申请的实施方式，超结构单元可以具有纳米结构。如图5至图7所示，根据本申请的实施方式，每个微结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有纳米结构。根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。可选地，本申请实施例中超透镜的工作波段为激光雷达的常用波段，包括近红外波段，例如850nm、905nm、940nm和1550nm等波段。根据本申请的实施方式，纳米结构在近红外光波段具有高透射率。根据本申请的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。
本申请实施例所提供的一种可选的纳米结构的透过率与相位调制关系如图8所示。图8示出了，1200nm高的硅纳米结构在周期为600nm的正四边形排列下的透过率与相位调制关系图。
进一步地，为了使该激光雷达接收系统中第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的设计更灵活，在保证成像效果的前提下，进一步减少TTL和BFL，该激光雷达接收系统需满足公式(1)：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3) (1)。
公式(1)中，Φt为该激光雷达接收系统的系统光焦度。Φ1、Φ2和Φ3分别为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度。d2为第一透镜100和第二透镜200的间距，d3为第二透镜200和第三透镜300的间距。在同样的分离度(SD)下，满足公式(1)的激光雷达接收系统的TTL和BFL比不满足公式(1)的更小。也就是说，只要第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300满足公式(1)，各个透镜之间的距离和每个透镜的光焦度都可以灵活设计。
该激光雷达接收系统的后截距(BFL)满足：
Figure BDA0003521182340000181
S21＝-Φt (16)；
S11＝d2d3Φ1Φ2-(d2+d3)Φ1-d3Φ2+1 (17)。
上述公式(2)、(3)和(4)中，S21为该激光雷达接收系统的系统光焦度Φt，Φ1、Φ2和Φ3分别为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度。d2为第一透镜100和第二透镜200的间距，d3为第二透镜200和第三透镜300的间距。m为该激光雷达接收系统的放大倍数。
由BFL可以通过下述公式(5)得到该激光雷达接收系统的系统总长：
TTL＝d2+d3+BFL (18)。
该激光雷达接收系统的分离度(SD)满足：
Figure BDA0003521182340000191
可选地，该激光雷达接收系统的瞬时入射角θ小于或等于1°。可选地，该激光雷达接收系统的分离度大于或等于6mm，分离度与系统总长度(TTL)之比大于等于0.04。
在本申请实施例中，可选地，可以根据本申请实施例提供的激光雷达接收系统在预设的角分辨率θ下要达到的分离度(SD)结合系统总长(TTL)以及后截距(BFL)的范围，通过公式(1)结合公式(2)至公式(4)推出对应的第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度、第一透镜100和第二透镜200的距离以及第二透镜200和第三透镜300的距离。
可选地，根据公式(1)和公式(15)至公式(19)中本申请实施例提供的激光雷达接收系统的系统总长和后截距，可以优化得到初始的结构参数d2、d3、Φ1、Φ2和Φ3。
更进一步地，经过本申请实施例所提供的激光雷达接收系统的所有光线均需要落在焦平面上直径为100μm的包围圆内。优选地，可以对初始的结构参数进行再一次优化，从而得到每个透镜的相位。优化后，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位至少满足如下公式(5)至公式(8)中的任意一个：
Figure BDA0003521182340000192
Figure BDA0003521182340000193
Figure BDA0003521182340000201
Figure BDA0003521182340000202
上述公式(7)至公式(10)中，
Figure BDA0003521182340000203
为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位；r为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300上任意一点的坐标；f为第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的焦距。示例性地，第一透镜100的焦距为f1，第二透镜200的焦距为f2，第三透镜300的焦距为f3，φ0为任意一常数相位。
由上可知，本申请实施所提供的激光雷达接收系统中，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300中至少一个为超透镜，只要第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300满足公式(1)即可。优选地，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的相位还至少满足公式(7)至公式(10)中任意一个。由于超透镜相比传统折射透镜至少具有重量轻、厚度薄、成本低等优点，所以，如图1所示，更优选地，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300均为超透镜。
本申请示例性的实施例提供了一种激光雷达接收系统，如图1所示，该激光雷达接收系统包括第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300。其中，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300同光轴设置，且均为超透镜。第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的光焦度分别为Φ1、Φ2和Φ3，焦距分别为f1、f2和f3；第一透镜100和第二透镜200的间距为d2，第二透镜200和第三透镜300的间距为d3。该激光雷达接收系统的系统光焦度为Φt。本申请实施例中第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300满足公式(1)至(6)，并且满足公式(7)至(10)中任意一个。该激光雷达接收系统的关键参数如表3所示，工作波段为1550nm。
表3
Figure BDA0003521182340000204
Figure BDA0003521182340000211
经测试，该激光雷达接收系统的中心视场和边缘视场的光线三点的半径分别为13μm和42μm。由此可知，该激光雷达接收系统的所有光线均落在直径为100μm的包围圆内。
相比于上述实施例提供的三片式的激光雷达接收系统，为了更好地压缩该激光雷达接收系统总长(TTL)和后截距(BFL)，从而更有利于激光雷达接收系统的小型化。本申请实施例在上述任一实施例提供的激光雷达接收系统的基础上还包括第四透镜400，形成四片式光学系统。第四透镜400可以是超透镜，也可以是折射透镜。优选地，如图9所示，第四透镜400为超透镜。第四透镜400的光焦度为Φ4，焦距为f4。
本申请实施例提供的激光雷达接收系统中光线的传播矩阵S如公式(20)所示：
Figure BDA0003521182340000212
由公式(20)可以推出公式(21)如下：
Figure BDA0003521182340000213
进而，该激光雷达接收系统的系统光焦度如公式(22)所示：
Φt＝-S[4]21 (22)。
该激光雷达接收系统的后截距BFL如公式(23)所示：
Figure BDA0003521182340000214
该激光雷达接收系统的分离度(SD)如公式(24)所示：
Figure BDA0003521182340000221
该激光雷达接收系统的系统总长(TTL)如公式(25)所示：
TTL＝d2+d3+d4+BFL (25)。
示例性地，本申请实施例一种优选的实施方式中，如图12所示，所述激光雷达接收系统包括第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400。其中，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400为超透镜。该激光雷达接收系统的关键参数如表4所示，工作波段为1550nm。
表4
系统总长(TTL) 200mm
后截距(BFL) 15mm
焦距(F) 550mm
视场角(FOV) 1°
分离度(SD) 9.6mm
经测试，该激光雷达接收系统的中心视场和边缘视场的光线散点的半径为10μm和33μm。由此可知，经过该激光雷达接收系统的所有光线均落在直径为100μm的包围圆内。并且，该激光雷达接收系统采用四片式结构具有比采用三片式结构更好的成像效果。
本申请实施例还提供了一种激光雷达，包括上述任一实施例提供的激光雷达发射系统和/或激光雷达接收系统。
综上所述，本申请实施例提供的激光雷达接收系统通过至少一片超透镜减少了激光雷达接收系统的透镜数量，并且通过至少一片超透镜压缩了激光雷达接收系统的系统总长和后截距。该激光雷达接收系统还通过至少一片超透镜提高了成像效果，从而使经过该激光雷达接收系统的所有光线均落在直径为100μm的包围圆内。本申请实施例通过采用至少一个超透镜，使激光雷达接收系统同时满足小系统总长、小后截距和大分离度，从而促进了激光雷达接收系统的小型化和轻量化。
以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (27)

1.一种激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统包括第一透镜(100)、第二透镜(200)、第三透镜(300)和光源(500)；
其中，所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)同轴，并且依次设置于所述光源(500)的发光侧；
所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)中至少一个为超透镜；
所述超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，所述纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。
2.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统满足：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3)；
其中，Φt为所述激光雷达发射系统的系统光焦度；Φ1、Φ2和Φ3分别为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的光焦度；d2为所述第一透镜(100)和所述第二透镜(200)的间距，d3为所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的间距。
3.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)至少满足如下任一公式：
Figure FDA0003521182330000011
Figure FDA0003521182330000012
Figure FDA0003521182330000013
Figure FDA0003521182330000014
其中，
Figure FDA0003521182330000015
为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的相位；r为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)上任意一点的坐标；f为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的焦距。
4.如权利要求2所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述光源(500)发出的第一光线依次经所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)调制，以第二光线射出；所述第二光线的发散角θ满足：
θ＝arctan(hφt)；
其中，h为所述光源(500)发光面的半高度；Φt为所述激光雷达发射系统的系统光焦度。
5.如权利要求1-3任一所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述光源(500)发出的第一光线依次经所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)调制，以第二光线射出；
所述第二光线的发散角小于或等于0.3°。
6.如权利要求1-3任一所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统的工作距与等效焦距的比值满足：
WD/FL≤0.1；
其中，WD为所述激光雷达发射系统的工作距；FL为所述激光雷达发射系统的等效焦距。
7.如权利要求1-3任一所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统的系统总长与等效焦距的比值满足：
TTL/FL≤0.1；
其中，TTL为所述激光雷达发射系统的系统总长；FL为所述激光雷达发射系统的等效焦距。
8.如权利要求1-3任一所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)均为超透镜。
9.如权利要求1-3任一所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统还包括第四透镜(400)；
所述第四透镜(400)与所述第三透镜(300)远离所述光源(500)的一侧；
所述第四透镜(400)为超透镜或折射透镜。
10.如权利要求9所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统中光线的传播矩阵满足：
Figure FDA0003521182330000031
其中，S为所述激光雷达发射系统中光线的传播矩阵；Φ1、Φ2、Φ3和Φ4分别为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)、所述第三透镜(300)和所述第四透镜(400)的相位；d2为所述第一透镜(100)和所述第二透镜(200)的间距；d3为所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的间距；d4为所述第三透镜(300)和所述第四透镜(400)的间距。
11.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光雷达发射系统的工作波段的中心波长包括850nm、905nm、940nm和1550nm，带宽均小于40nm。
12.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的至少一种或多种。
13.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述纳米结构包括偏振相关结构。
14.如权利要求1所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述纳米结构包括偏振无关结构。
15.一种激光雷达接收系统，其特征在于，采用如权利要求1-14中任一所述的光学系统，所述激光雷达接收系统包括第一透镜(100)、第二透镜(200)和第三透镜(300)；
其中，所述第三透镜(300)、所述第二透镜(200)和所述第一透镜(100)沿着激光入射方向依次同轴设置；
所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)中至少一个为超透镜；
所述超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，所述纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。
16.如权利要求15所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统满足：
φt＝d2d3Φ1Φ2Φ3-(d2+d3)Φ1Φ3-(d2Φ3+d3Φ3)+(Φ1+Φ2+Φ3)
其中，Φt为所述激光雷达接收系统的系统光焦度；Φ1、Φ2和Φ3分别为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的光焦度；d2为所述第一透镜(100)和所述第二透镜(200)的间距，d3为所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的间距。
17.如权利要求16所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)至少满足如下任一公式：
Figure FDA0003521182330000051
Figure FDA0003521182330000052
Figure FDA0003521182330000053
Figure FDA0003521182330000054
其中，
Figure FDA0003521182330000055
为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的相位；r为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)上任意一点到透镜中心的距离；(x，y)为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)上任意一点的坐标；f为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的焦距,φ0为任意一常数相位。
18.如权利要求15-17中任一所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统的分离度大于或等于6mm，分离度与系统总长度(TTL)之比大于等于0.04；
所述分离度为所述激光雷达接收系统的中心视场和边缘视场在焦平面上的分离距离。
19.如权利要求15-17中任一所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)均为超透镜。
20.如权利要求15-17中任一所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统的瞬时入射角小于或等于1°。
21.如权利要求15-17中任一所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统还包括第四透镜(400)；
所述第四透镜(400)与所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)同轴设置；
所述第四透镜(400)为超透镜或折射透镜。
22.如权利要求21所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统中光线的传播矩阵满足：
Figure FDA0003521182330000061
其中，S为所述激光雷达接收系统中光线的传播矩阵；Φ1、Φ2、Φ3和Φ4分别为所述第一透镜(100)、所述第二透镜(200)、所述第三透镜(300)和所述第四透镜(400)的相位；d2为所述第一透镜(100)和所述第二透镜(200)的间距；d3为所述第二透镜(200)和所述第三透镜(300)的间距；d4为所述第三透镜(300)和所述第四透镜(400)的间距。
23.如权利要求15所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达接收系统的工作波段的中心波长包括850nm、905nm、940nm和1550nm，带宽均小于40nm。
24.如权利要求15所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅中的至少一种或多种。
25.如权利要求15所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述纳米结构包括偏振相关结构。
26.如权利要求15所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述纳米结构包括偏振无关结构。
27.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括如权利要求1-14任一所述的激光雷达发射系统和/或如权利要求15-26任一所述激光雷达接收系统。
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