CN217820834U - 一种角度放大mems振镜以及激光雷达发射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种角度放大MEMS振镜以及激光雷达发射系统，其中，该角度放大MEMS振镜包括：反射式超表面、驱动器和转动轴；反射式超表面设置于转动轴上，且转动轴与驱动器驱动连接；驱动器用于驱动转动轴，使转动轴带动反射式超表面进行转动；反射式超表面用于将以第一角度入射的光束以第二角度射出；第一角度小于第二角度，且第二角度小于90度。通过本实用新型实施例提供的角度放大MEMS振镜以及激光雷达发射系统，除了可以实现普通MEMS振镜的转动扫描功能以外，还可以同时集成角度放大的功能；使采用该角度放大MEMS振镜的激光雷达的扫描角度扩大，避免了拼接多个激光雷达的情况，进而减小激光雷达的体积和成本。

Description

一种角度放大MEMS振镜以及激光雷达发射系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种角度放大MEMS振镜以及激光雷达发射系统。

背景技术

现有的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜激光雷达中所使用的MEMS振镜，其转动角度较小，使得包含其的MEMS振镜激光雷达的扫描角度通常在40°以内，致使扫描角度较小；单独的一个MEMS振镜激光雷达无法实现以较大的角度进行扫描，当需要扩大扫描角度时，通常需将多个MEMS振镜激光雷达拼接在一起方可实现大角度扫描，这样的方式极大地增加了激光雷达的数量，同时也增加了激光雷达的使用成本，导致其无法满足市场对激光雷达越发严苛的要求，如更加小型化、轻量化、简洁化和低成本等。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种角度放大MEMS振镜以及激光雷达发射系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种角度放大MEMS振镜，反射式超表面、驱动器和转动轴；所述反射式超表面设置于所述转动轴上，且所述转动轴与所述驱动器驱动连接；所述驱动器用于驱动所述转动轴，使所述转动轴带动所述反射式超表面进行转动；所述反射式超表面用于将以第一角度入射的光束以第二角度射出；所述第一角度小于所述第二角度，且所述第二角度小于90度。

可选地，反射式超表面包括：基底、反射层和多个放大单元；所述反射层设置于所述基底与所述放大单元之间；所述反射层能够将从靠近所述放大单元的一侧射入的光束反射出去；每个所述放大单元对应一个相位分布，所述相位分布表示射入所述放大单元的光束的入射角与所述放大单元能够调制的相位之间的对应关系；所述放大单元能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

可选地，放大单元沿x坐标轴的方向并列排布；所述转动轴与所述x坐标轴平行；每个所述放大单元包括多个沿垂直于x坐标轴的方向排布且相同的第一纳米结构，具有相同x坐标的第一纳米结构对应相同的相位分布；所述第一纳米结构能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

可选地，第一纳米结构的相位分布满足

其中，

表示在所述基底的x位置对应的放大单元中，每个第一纳米结构所对应的相位分布；

表示常数相位；θ₂表示所述第二角度，θ₁表示所述第一角度，k表示波数且

n_o表示所述反射式超表面对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

可选地，放大单元呈阵列式排布；所述转动轴包括相互垂直设置的第一转动轴和第二转动轴；所述第一转动轴平行于x坐标轴，用于带动所述反射式超表面以所述x坐标轴为轴转动；所述第二转动轴用于带动所述反射式超表面以垂直于所述x坐标轴的y坐标轴为轴转动。

可选地，反射式超表面位于xoy平面；所述放大单元包括至少一个第二纳米结构；所述第二纳米结构的相位分布满足

其中，

表示在所述反射式超表面的(x,y)坐标位置对应的第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以所述反射式超表面所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与所述入射光束所在平面以及所述反射式超表面所在平面相垂直的平面；φ₂表示以所述第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；

表示常数相位；θ₂表示所述第二角度，θ₁表示所述第一角度，k表示波数且

n_o表示所述反射式超表面对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

可选地，第二角度与所述第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。

可选地，驱动器包括：静电驱动型驱动器、压电驱动型驱动器、电磁驱动型驱动器或者电热驱动型驱动器。

可选地，角度放大MEMS振镜的扫描频率在20Hz～20KHz之间。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达发射系统，包括：如上任一所述的角度放大MEMS振镜和光源；所述角度放大MEMS振镜设置在所述光源的出光侧，所述光源用于向所述角度放大MEMS振镜发射激光光束。

可选地，光源包括垂直腔体激光器。

可选地，光源发射的光束包括单束准直激光；或者，多束线性排布的激光阵列。

可选地，在所述光源发射的光束为单束准直激光的情况下，所述角度放大MEMS振镜实现二维扫描；在所述光源发射的光束为多束沿垂直于x方向排布的激光阵列的情况下，所述角度放大MEMS振镜实现一维扫描。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，除了可以实现普通MEMS振镜的转动扫描功能以外，还可以同时集成角度放大的功能，使得反射出去用于扫描的出射光束的出射角(第二角度)可以大于其射入该反射式超表面时的入射角(第一角度)。当驱动器驱动转动轴转动时，置于该转动轴上的反射式超表面能连带发生转动，在其出光侧实现更大角度的扫描。而通过使用该角度放大MEMS振镜，不仅可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达进行扫描角度的扩大的情况，还能够使这种可实现大扫描角度的MEMS振镜激光雷达的体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。

本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，通过直接采用可以同时实现反射扫描以及角度放大双功能的角度放大MEMS振镜，可以扩大该激光雷达发射系统在扫描区域上的扫描范围，无需拼凑多个具有MEMS振镜的激光雷达发射系统即可实现扩束的目的，降低成本，减轻激光雷达发射系统整体体积。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种角度放大MEMS振镜的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，一种反射式超表面的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，放大单元沿x坐标轴排布的反射式超表面的俯视图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，第一纳米结构相位分布的推导原理示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，放大单元呈阵列式排布的反射式超表面的俯视图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，另一种角度放大MEMS振镜的结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，第二纳米结构相位分布的推导原理示意图；

图8示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达发射系统的示意图；

图9示出了本实用新型实施例所提供的激光雷达发射系统中，光源发射单束准直激光的扫描示意图；

图10示出了本实用新型实施例所提供的激光雷达发射系统中，实施例一对应的第一角度与相位分布的关系图。

图标：

1-反射式超表面、2-驱动器、3-转动轴、11-基底、12-反射层、13-放大单元、131-第一纳米结构、31-第一转动轴、32-第二转动轴、100-角度放大MEMS振镜、200-光源。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种角度放大MEMS振镜，参见图1所示，该角度放大MEMS振镜包括：反射式超表面1、驱动器2和转动轴3；反射式超表面1设置于转动轴3上，且转动轴3与驱动器2驱动连接；图1中以设置在转动轴3下方的方形结构表示该驱动器2。

如图1所示，驱动器2用于驱动转动轴3，使转动轴3带动反射式超表面1进行转动；反射式超表面1用于将以第一角度入射的光束以第二角度射出；第一角度小于第二角度，且第二角度小于90度。

在本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜中，驱动器2与转动轴3为驱动连接，例如，可以直接通过线路将二者相互连接，使得驱动器2在启动时能带动该转动轴3转动；或者，也可以将该驱动器2设置在可起到支撑和保护作用的外壳中，如图1所示，内部设置有该驱动器2的外壳，该外壳还可以用来放置与该驱动器2驱动连接的转动轴3。可选地，该驱动器2包括：静电驱动型驱动器、压电驱动型驱动器、电磁驱动型驱动器或者电热驱动型驱动器；其中，静电驱动型驱动器、压电驱动型驱动器以及电磁驱动型驱动器的驱动效果更好也更常用。

在本实用新型实施例中，由于反射式超表面1设置在该转动轴3上，因而可以在驱动器2启动并带动转动轴3转动的同时，一并带动位于该转动轴3上的反射式超表面1发生转动；例如，令该反射式超表面1以该转动轴3为轴转动。其中，该反射式超表面1不仅可以使射入其中的光束能够被反射出去，以实现扫描功能，其还具有能够将射入其中的入射角为第一角度的光束，经过相位调制使该光束以第二角度射出(反射)的功能；并且，经该反射式超表面1所调制射出的光束所对应的第二角度(出射角)，大于射入该反射式超表面1的光束所对应的第一角度(入射角)，即该反射式超表面1具有出射角大于入射角的关系；此外，为了避免发生全反射效应，该第二角度应小于90度。

本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜，除了可以实现普通MEMS振镜的转动扫描功能以外，还可以同时集成角度放大的功能，使得反射出去用于扫描的出射光束的出射角(第二角度)可以大于其射入该反射式超表面1时的入射角(第一角度)。当驱动器2驱动转动轴3转动时，置于该转动轴3上的反射式超表面1能连带发生转动，在其出光侧实现更大角度的扫描。而通过使用该角度放大MEMS振镜，不仅可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达进行扫描角度的扩大的情况，还能够使这种可实现大扫描角度的MEMS振镜激光雷达的体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。

可选地，如图2所示，反射式超表面1包括：基底11、反射层12和多个放大单元13；反射层12设置于基底11与放大单元13之间；图2以从下至上依次为基底11、反射层12以及放大单元13示出。

其中，反射层12能够将从靠近放大单元13的一侧射入的光束反射出去；每个放大单元13对应一个相位分布，相位分布表示射入放大单元13的光束的入射角与放大单元13能够调制的相位之间的对应关系；放大单元13能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

在本实用新型实施例中，设置于基底11一侧的反射层12用于将从远离基底11一侧所射入的光束反射出去，如将该光束反射至需要扫描的区域中；而在该反射层12的入光/出光侧(即该反射层12远离基底11的一侧)所设置的多个放大单元13，则可以对射入其中的光束进行相位调制，使得以第一角度(入射角，如图2中的第一角度θ₁)射入其中的光束，在经放大单元13调制后，能够以第二角度(出射角，如图2中的第二角度θ₂)射出。其中，每个放大单元13可以是任意结构，例如，其可以是方形的结构，圆形结构，或者其也可以是长条形的结构，本实用新型实施例对此不做限定。如图3所示，图3示出了放大单元13为长条形结构的角度放大MEMS振镜的俯视图；其中，每个放大单元13分别对应一个相位分布，不同放大单元13可以对应不同的相位分布；该相位分布用于表示一种对应关系，即射入放大单元13的光束的入射角与该放大单元13可以调制的相位之间的对应关系。

本实用新型实施例所提供的角度放大MEMS振镜，能够基于其所具有的多个放大单元13，将以较小角度射入其中的光束调制为以较大角度(但不超过90度)射出的光束，以实现对角度的扩大。通过使用该角度放大MEMS振镜，可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达进行扫描角度的扩大的情况，不仅使能够实现大扫描角度的MEMS振镜激光雷达的体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。

可选地，参见图3所示，放大单元13沿x坐标轴的方向并列排布；且转动轴3与x坐标轴平行；其中，每个放大单元13包括多个沿垂直于x坐标轴的方向排布且相同的第一纳米结构131，具有相同x坐标的第一纳米结构131对应相同的相位分布；第一纳米结构131能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

参见图3所示，多个放大单元13可以沿x坐标轴的方向生长在该反射层12远离基底11的一侧，如图2中该反射层12的上侧，其中，x坐标轴的方向是为了方便放置放大单元13所设定的一个方向，本实用新型实施例为方便描述多个放大单元13的摆放情况，可以令这些放大单元13按图2所示的水平向右的方向为x坐标轴的方向；并且，在本实用新型实施例中，转动轴3是与该x坐标轴相平行的轴，例如，该转动轴3还可以与该x坐标轴相重合，使得在该转动轴3转动时，可以带动该反射式超表面1以该x坐标轴为轴转动。

在本实用新型实施例所采用的反射式超表面1中，如图3所示，每个放大单元13所包括的第一纳米结构131可以在反射层12的入光/出光侧，沿垂直于x坐标轴的方向上一一排列；并且，每个放大单元13所包括的多个第一纳米结构131具有相同的相位分布，换句话说，在同一个放大单元13中的任何一个第一纳米结构131结构相同，都可以将以第一角度射入其中的光束调制为大于该第一角度且小于90度的第二角度射出。例如，若该反射式超表面1上某一个放大单元13中的每个第一纳米结构131所对应的相位分布，都是能够将射入每个第一纳米结构131的光束的入射角(如第一角度：15度)调制为以某个出射角(如第二角度：30度)射出的分布，则当射入该反射式超表面1上该放大单元13的光束的入射角(第一角度)为15度时，即射入该放大单元13中每个第一纳米结构131的光束的入射角(第一角度)为15度时，该放大单元13中每个第一纳米结构131可以将该光束以30度(第二角度)射出，以实现将入射光的入射角度进行放大的目的。

由于在本实用新型实施例所采用的反射式超表面1中，每个放大单元13是沿x坐标轴的方向排布的，使得光束射向该反射式超表面1后所反射的调制后的光束，能够扩大在x坐标轴方向上的扫描角度，以实现扩大一维扫描范围的功能，该种结构的反射式超表面1可以被称作一维放大超表面。

可选地，第一纳米结构131的相位分布满足

其中，

表示在基底11的x位置对应的放大单元13中，每个第一纳米结构131所对应的相位分布；

表示常数相位；θ₂表示第二角度，θ₁表示第一角度，k表示波数且

n_o表示反射式超表面1对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

在本实用新型实施例中，若要确定不同放大单元13上所对应的每个第一纳米结构131的相位分布(即每个放大单元13的相位分布)，可以根据所需确定的第一纳米结构131在x坐标轴的方向上所处的具体位置、射入其中的光束的入射角度以及射出该第一纳米结构131的光束的出射角度等相关数据进行相应地计算。

参见图4所示，当两道光束同时以第一角度θ₁射入该角度放大MEMS振镜上，该两条入射光束之间在x方向的距离为Δx；通过计算两道光束之间的光程差，即Δl＝Δx(sinθ₂-sinθ₁)，便可确定二者之间的相位差

当Δx趋近于0时，可以得到数学关系式：

具体地，该数学关系式能够表示出：在x坐标位置处所对应的放大单元13中的每个第一纳米结构131，是可以将以第一角度θ₁射入其中的光束(且该光束波数为k)调制为以第二角度θ₂射出的纳米结构的数学关系式。

进一步地，对该数学关系式做积分运算，可以得到式子：

根据该式子便可确定每个可实现上述调制效果的第一纳米结构131的相位分布。式中，x用于表示所需确定相位分布

的第一纳米结构131在x坐标轴的方向上的具体位置；θ₁用于表示射入该第一纳米结构131的光束的入射角度，即第一角度，θ₂用于表示射出该第一纳米结构131的光束的出射角度，即第二角度；波数

即该波数k由该反射式超表面1所对应的空间介质的折射率n_o与该光束的波长λ决定，其中，该反射式超表面1所对应的空间介质的折射率n_o可以是由该反射式超表面1射出的光束所对应的空间介质的折射率；

则用于表示常数相位，该常数相位可以是任意数值，如0、π、2π、3π等。通过计算该式子可以确定能够实现上述调制效果(即将以第一角度θ₁射入其中的光束调制为以第二角度θ₂射出)的第一纳米结构131所具有的相位分布

本实用新型实施例可以更准确的确定每一个位置上对应的第一纳米结构131所对应的相位分布，且该种角度放大MEMS振镜可以根据实际所需，在x坐标轴方向的不同位置布局具有不同相位分布的第一纳米结构131，使得到的角度放大MEMS振镜为可以实现一维角度放大并扫描的角度放大MEMS振镜。

可选地，参见图5及图6所示，放大单元13呈阵列式排布；转动轴3包括相互垂直设置的第一转动轴31和第二转动轴32；第一转动轴31平行于x坐标轴，用于带动反射式超表面1以x坐标轴为轴转动；第二转动轴32用于带动反射式超表面1以垂直于x坐标轴的y坐标轴为轴转动。

如图5所示，图5为多个放大单元13呈阵列式排布的反射式超表面1的俯视图。其中，这些以阵列式排布的放大单元13设置在反射层12远离基底11的一侧表面。如图6所示，图6为具有该反射式超表面1的角度放大MEMS振镜的结构示意图；在该角度放大MEMS振镜中，转动轴3可以包括相互垂直的第一转动轴31与第二转动轴32，且该第一转动轴31可以与x坐标轴相互平行，或者，其也可以与x坐标轴重合；而与该第一转动轴31相垂直的第二转动轴32可以是与该x坐标轴相垂直的轴，例如y坐标轴，或者与y坐标轴相平行的轴。当驱动器2驱动相互垂直的两个转动轴3转动时，设置于该转动轴3上的反射式超表面1(具有呈阵列式排布的放大单元13的反射式超表面1)可以在该第一转动轴31的带动下，以该第一转动轴31为轴转动，例如，该反射式超表面1可以以x坐标轴为轴转动；并且，该反射式超表面1还可以在该第二转动轴32的带动下，以该第二转动轴32为轴转动，例如，该反射式超表面1可以以垂直于x坐标轴的y坐标轴为轴转动，使得该角度放大MEMS振镜能够沿两个方向进行扫描，即实现二维扫描。

可选地，如图7所示，反射式超表面1位于xoy平面；放大单元13包括至少一个第二纳米结构；第二纳米结构的相位分布满足

其中，

表示在反射式超表面1的(x,y)坐标位置对应的第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以反射式超表面1所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与入射光束所在平面以及反射式超表面1所在平面相垂直的平面；φ₂表示以第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；

表示常数相位；θ₂表示第二角度，θ₁表示第一角度，k表示波数且

n_o表示反射式超表面1对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

参见图7所示，该反射式超表面1位于xyz坐标系下的xoy平面中，并且，其中的每个放大单元13所包括的至少一个第二纳米结构，能够具有相同的相位分布，例如，在位于xoy平面上的反射层12远离基底11的一侧表面(如图7中该反射层12的上表面)，以阵列的形式排布多个放大单元13，且每个放大单元13中具有一个第二纳米结构。而由于该反射式超表面1中的每个放大单元13分别对应一个相位分布，且在同一放大单元13中的第二纳米结构能够对应同一种相位分布，因此，在不同放大单元13中所包括的第二纳米结构能够与其他放大单元13中的第二纳米结构对应不同的相位分布。例如，若每个放大单元13分别包括一个第二纳米结构，则这些第二纳米结构分别对应一种相位分布。

参见图7所示，图7为xyz坐标系下反射式超表面1的设置与光路示意图。在本实用新型实施例中，若要确定不同放大单元13上所对应的至少一个第二纳米结构的相位分布(例如每个放大单元13的相位分布)，可以根据所需确定的第二纳米结构在xyz坐标系中的xoy平面上所处的具体位置(如(x,y)坐标)、射入其中的光束的入射角度(入射的光束相对于xyz坐标系中yoz平面的夹角)以及射出该第二纳米结构的光束的出射角度(射出的光束相对于xyz坐标系中yoz平面的夹角)等相关数据进行相应地计算。

如图7所示，在xyz坐标系下，入射的光束由xoz平面(入射平面)射向位于xoy平面的反射式超表面1(第二纳米结构)中，并在该反射式超表面1上经过相位调制反射出去。本实用新型实施例中，由于该第二纳米结构的相位分布满足广义菲涅尔定律，因此，发明人发现对该广义菲涅尔定律进行积分可以得到该第二纳米结构的相位分布计算公式：

式中，(x,y)用于表示所需确定相位分布为

的第二纳米结构在xoy平面上的具体位置(即该第二纳米结构在反射式超表面1上的坐标)；θ₁用于表示射入该第二纳米结构的光束的入射角度，其中，该入射角度在空间中可以表示为：该入射光束在yoz平面上的投影与该入射光束之间的夹角，yoz平面即为与入射平面(xoz平面)相垂直的平面，图7中该入射光线在yoz平面上的投影与z轴重合；θ₂用于表示射出该第二纳米结构的光束的出射角度，其中，该出射角度在空间中可以表示为：该出射光束在yoz平面上的投影与该出射光束之间的夹角，yoz平面即为与入射平面(xoz平面)相垂直的平面，图7中该出射光线在yoz平面上的投影用虚线示出；φ₂为该出射光束在yoz平面的投影与z轴之间的夹角；波数

即该波数k由该反射式超表面1所对应的空间介质的折射率n_o与该光束的波长λ决定，其中，该反射式超表面1所对应的空间介质的折射率n_o可以是由该反射式超表面1射出的光束所对应的空间介质的折射率；

则用于表示常数相位，该常数相位可以是任意数值，如0、π、2π、3π等。通过计算该式子可以确定能够实现上述调制效果(即将以第一角度θ₁射入其中的光束调制为以第二角度θ₂射出)的第二纳米结构所具有的相位分布

本实用新型实施例可以确定每一个位置上对应的第二纳米结构所对应的相位分布，使得具有该结构的反射式超表面1(其上放大单元13呈阵列式排布)的角度放大MEMS振镜，可以在xyz空间中实现二维角度放大并扫描，本实用新型实施例可以将该反射式超表面1称为二维放大超表面。

可选地，第二角度与第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。

其中，在角度放大MEMS振镜中的反射式超表面1为一维放大超表面的情况下，即在该反射式超表面1上的放大单元13是沿x坐标轴方向并列排布，且该转动轴3与该x坐标轴平行的情况下，在射入第一纳米结构131的光束的第一角度与射出该第一纳米结构131的光束的第二角度之间，除了需要满足第二角度大于第一角度，且第二角度小于90度的关系以外，所能满足的关系还可以包括：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。其中，倍数关系可以是该第二角度的大小是第一角度的大小的a倍，即θ₂＝aθ₁，且a>1，例如，该第二角度的大小是第一角度的大小的2倍或3倍等；非线性关系可以是该第二角度的大小是第一角度大小的平方、三次方等，例如，在第一角度大于1的情况下，θ₂＝θ₁ ²等；三角函数关系可以是该第二角度与第一角度构成某种正弦函数关系、余弦函数关系或者正切函数关系等，例如，sinθ₂＝1.5sinθ₁等。

例如，在本实用新型实施例中，在明确了x坐标处所对应的放大单元13中的每个第一纳米结构131，是可以将以第一角度θ₁射入其中的光束调制为以大小为该第一角度的2倍的第二角度θ₂射出的纳米结构的情况下，即在该第一纳米结构131所对应的第一角度与第二角度同时满足关系式：

以及θ₂＝2θ₁的情况下，根据这两个式子便可确定每个可实现上述调制效果的第一纳米结构131的相位分布。

相同地，在角度放大MEMS振镜中的反射式超表面1为二维放大超表面的情况下，即在该反射式超表面1上的放大单元13是呈阵列式排布，且该转动轴3包括第一转动轴31与第二转动轴32的情况下，在射入第二纳米结构的光束的第一角度与射出该第二纳米结构的光束的第二角度之间，除了需要满足第二角度大于第一角度，且第二角度小于90度的关系以外，所能满足的关系同样还可以包括：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系，此处不再赘述。

本实用新型实施例通过明确反射式超表面1中每个纳米结构(第一纳米结构131或第二纳米结构)所能实现的调制效果，建立起射入纳米结构的光束的第一角度与射出该纳米结构的光束的第二角度之间所应满足的多种关系，并通过积分运算的方式得到这些纳米结构对应的相位分布，具有该反射式超表面1角度放大MEMS振镜可以满足更多实际应用场景的需要。

可选地，该角度放大MEMS振镜的扫描频率在20Hz～20KHz之间。在本实用新型实施例中，该角度放大MEMS振镜的扫描频率较高，使得具有该角度放大MEMS振镜的MEMS振镜激光雷达的分辨率、帧率及鲁棒性均更佳。

本实用新型实施例还提供了一种激光雷达发射系统，参见图8所示，该激光雷达发射系统包括：上述任意一种角度放大MEMS振镜100和光源200；图8以多条平行实线表示光源200所发出的光束。

如图8所示，角度放大MEMS振镜100设置在光源200的出光侧，光源200用于向角度放大MEMS振镜100发射激光光束。

在本实用新型实施例中，角度放大MEMS振镜100可以将光源200所发出的光束进行反射，其中，由光源200所发射的光束可以以第一角度射入该角度放大MEMS振镜100；由于该角度放大MEMS振镜100不仅可以将该光束反射出去进行扫描，还可以基于其中的放大单元13，对该光束进行相位调制，使得最终所反射的用于扫描的光束能够以第二角度射出；并且，该第二角度大于第一角度，使得该角度放大MEMS振镜100不仅可以实现将光束反射并扫描的功能，还可以同时扩大光束的出射角，使得该扫描范围可以得到扩大(如一维放大或二维放大)。

如图8所示，由光源200发射的光束在以第一角度射入该角度放大MEMS振镜100之后，该角度放大MEMS振镜100可以将该光束以第二角度反射至扫描区域，图8中以平行四边形区域表示该扫描区域；需要说明的是，由该角度放大MEMS振镜100所反射至扫描区域的光束是基于其自身的转动而进行扫描的，即该角度放大MEMS振镜100反射光束的扫描方向是由与该角度放大MEMS振镜100相连设置的转动轴3所决定的。例如，在该角度放大MEMS振镜100设置在与x坐标轴相平行的转动轴3上的情况下，该角度放大MEMS振镜100可沿x坐标轴方向在平面内往复扫描(一维扫描)；而在该角度放大MEMS振镜100设置在相互垂直的第一转动轴31与第二转动轴31上的情况下，该角度放大MEMS振镜100可在空间中实现二维扫描。

在本实用新型实施例所提供的激光雷达发射系统中，通过直接采用可以同时实现反射扫描以及角度放大双功能的角度放大MEMS振镜100，可以扩大该激光雷达发射系统在扫描区域上的扫描范围，无需拼凑多个具有MEMS振镜的激光雷达发射系统即可实现扩束的目的，降低成本，减轻激光雷达发射系统整体体积。

可选地，该光源200包括垂直腔体激光器。其中，垂直腔体激光器是一种半导体激光器，其所发射的激光垂直于集成电路的顶面射出，而采用垂直腔体激光器作为光源200与传统采用边发射激光器作为光源相比具有许多优势。例如，采用该垂直腔体激光器作为光源200时，出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度阵列的集成，能够实现更高功率输出，使得本实用新型实施例所使用的光源200出光效果更好。

可选地，光源200发射的光束包括单束准直激光；或者，多束线性排布的激光阵列。

在本实用新型实施例所提供的激光雷达发射系统中，由该光源200所发射的激光可以是经过准直的一束激光；或者，也可是预先按照某种发射角度设置的、以线性方式排布的多束激光阵列，并且，由角度放大MEMS振镜100反射至扫描区域的光束阵列，可以是沿垂直于x方向进行排布的。可选地，参见图9所示，在光源200发射的光束为单束准直激光的情况下，角度放大MEMS振镜100实现二维扫描，即可以在单点测距的基础上，通过二维扫描实现三维空间的深度信息测量(如以“点”扫“面”)；参见图8所示，在光源200发射的光束为多束沿垂直于x方向排布的激光阵列的情况下，角度放大MEMS振镜100实现一维扫描，即由角度放大MEMS振镜100射出的、以垂直于x方向线性排布的多束激光阵列能够统一在扫描区域上沿x方向进行往复平扫(如以“线”扫“面”)。

在本实用新型实施例所提供激光雷达发射系统中，光源200可以根据实际所需设置为单束或多束阵列的不同形式发射，且该激光雷达发射系统能够根据光源200所发射的光束形式，选择与之相对应的不同扫描形式的角度放大MEMS振镜100，以实现更好的扫描，得到更精准的扫描结果。

实施例一：

本实施例给出了一个可实现一维角度放大的角度放大MEMS振镜200，即该角度放大MEMS振镜200中的反射式超表面1上的放大单元13是沿x坐标轴方向排布的。其中，该角度放大MEMS振镜200的工作波长为1550nm，射入其中的第一角度θ₁与射出的第二角度θ₂的关系为θ₂＝3θ₁。该角度放大MEMS振镜200的半入射角为0-15°，根据式子

以及θ₂＜90°，可以得到公式

此外，还可以得到该第一角度与该角度放大MEMS振镜200中的反射式超表面1上的每个第一纳米结构131的相位分布的关系图(如图10所示)。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种角度放大MEMS振镜，其特征在于，包括：反射式超表面(1)、驱动器(2)和转动轴(3)；所述反射式超表面(1)设置于所述转动轴(3)上，且所述转动轴(3)与所述驱动器(2)驱动连接；

所述驱动器(2)用于驱动所述转动轴(3)，使所述转动轴(3)带动所述反射式超表面(1)进行转动；

所述反射式超表面(1)用于将以第一角度入射的光束以第二角度射出；所述第一角度小于所述第二角度，且所述第二角度小于90度。

2.根据权利要求1所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述反射式超表面(1)包括：基底(11)、反射层(12)和多个放大单元(13)；

所述反射层(12)设置于所述基底(11)与所述放大单元(13)之间；所述反射层(12)能够将从靠近所述放大单元(13)的一侧射入的光束反射出去；

每个所述放大单元(13)对应一个相位分布，所述相位分布表示射入所述放大单元(13)的光束的入射角与所述放大单元(13)能够调制的相位之间的对应关系；

所述放大单元(13)能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

3.根据权利要求2所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述放大单元(13)沿x坐标轴的方向并列排布；所述转动轴(3)与所述x坐标轴平行；

每个所述放大单元(13)包括多个沿垂直于x坐标轴的方向排布且相同的第一纳米结构(131)，具有相同x坐标的第一纳米结构(131)对应相同的相位分布；所述第一纳米结构(131)能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。

4.根据权利要求3所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述第一纳米结构(131)的相位分布满足

其中，

表示在所述基底(11)的x位置对应的放大单元(13)中，每个第一纳米结构(131)所对应的相位分布；

表示常数相位；θ₂表示所述第二角度，θ₁表示所述第一角度，k表示波数且

n_o表示所述反射式超表面(1)对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

5.根据权利要求2所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述放大单元(13)呈阵列式排布；所述转动轴(3)包括相互垂直设置的第一转动轴(31)和第二转动轴(32)；

所述第一转动轴(31)平行于x坐标轴，用于带动所述反射式超表面(1)以所述x坐标轴为轴转动；所述第二转动轴(32)用于带动所述反射式超表面(1)以垂直于所述x坐标轴的y坐标轴为轴转动。

6.根据权利要求5所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述反射式超表面(1)位于xoy平面；所述放大单元(13)包括至少一个第二纳米结构；

所述第二纳米结构的相位分布满足

其中，

表示在所述反射式超表面(1)的(x,y)坐标位置对应的第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以所述反射式超表面(1)所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与所述入射光束所在平面以及所述反射式超表面(1)所在平面相垂直的平面；φ₂表示以所述第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；

表示常数相位；θ₂表示所述第二角度，θ₁表示所述第一角度，k表示波数且

n_o表示所述反射式超表面(1)对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。

7.根据权利要求1-6任一所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述第二角度与所述第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。

8.根据权利要求1所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述驱动器(2)包括：静电驱动型驱动器、压电驱动型驱动器、电磁驱动型驱动器或者电热驱动型驱动器。

9.根据权利要求1所述的角度放大MEMS振镜，其特征在于，所述角度放大MEMS振镜的扫描频率在20Hz～20KHz之间。

10.一种激光雷达发射系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一所述的角度放大MEMS振镜(100)和光源(200)；所述角度放大MEMS振镜(100)设置在所述光源(200)的出光侧，所述光源(200)用于向所述角度放大MEMS振镜(100)发射激光光束。

11.根据权利要求10所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述光源(200)包括垂直腔体激光器。

12.根据权利要求10所述的激光雷达发射系统，其特征在于，所述光源(200)发射的光束包括单束准直激光；或者，多束线性排布的激光阵列。

13.根据权利要求12所述的激光雷达发射系统，其特征在于，在所述光源(200)发射的光束为单束准直激光的情况下，所述角度放大MEMS振镜(100)实现二维扫描；在所述光源(200)发射的光束为多束沿垂直于x方向排布的激光阵列的情况下，所述角度放大MEMS振镜(100)实现一维扫描。

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