葛 鵬， 儲(chǔ)政勇， 瞿啟云， 劉小楠， 許 磊， 雷英俊， 李瑞君

(1. 合肥公共安全技術(shù)研究院，安徽 合肥 230031; 2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031;3. 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

在自動(dòng)駕駛技術(shù)領(lǐng)域，其核心硬件系統(tǒng)是環(huán)境感知傳感器，目前常見(jiàn)的車用環(huán)境感知傳感器包括毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和高清像機(jī)等[1-2]。毫米波雷達(dá)的測(cè)距精度較低，超聲波雷達(dá)僅適用于近距離障礙物感知，而高清像機(jī)則易受氣象環(huán)境因素的影響。因此，僅使用這些傳統(tǒng)的傳感器難以滿足L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的需求[3]，而激光雷達(dá)輸出激光的波長(zhǎng)較短，具有較高測(cè)距分辨力，且得益于激光的高方向性和高相干性，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離抗干擾測(cè)距，是自動(dòng)駕駛技術(shù)解決方案的核心器件。

根據(jù)激光掃描方式的不同，可以將現(xiàn)有激光雷達(dá)分為機(jī)械式、混合固態(tài)式兩類。機(jī)械式車載激光雷達(dá)是指通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光掃描的車載激光雷達(dá)。美國(guó)Velodyne公司是著名的機(jī)械式車載激光雷達(dá)供應(yīng)商，其代表性產(chǎn)品是64線激光雷達(dá)HDL-64E，該產(chǎn)品發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)均隨著機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)，探測(cè)性能優(yōu)異[4]。機(jī)械式激光雷達(dá)的成本較高，且長(zhǎng)期可靠性較差，難以實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)量產(chǎn)。

為降低車載激光雷達(dá)的生產(chǎn)成本，增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)保證較好的探測(cè)性能，混合固態(tài)式車載激光雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生?；旌瞎虘B(tài)式車載激光雷達(dá)的掃描方式主要有三種：棱鏡、轉(zhuǎn)鏡、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system, MEMS)振 鏡[5]。棱鏡掃描是將兩個(gè)有斜面的柱狀鏡頭的組合，可以利用光的折射控制激光的掃描方向，最終掃描出一個(gè)花瓣?duì)畹膮^(qū)域，調(diào)整兩個(gè)棱鏡轉(zhuǎn)速可以控制掃描的區(qū)域。棱鏡激光雷達(dá)掃描中央?yún)^(qū)域點(diǎn)云密集，而邊緣會(huì)相對(duì)稀疏，并且控制棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)也是個(gè)難度較高的工藝，目前真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的僅大疆覽沃。轉(zhuǎn)鏡掃描是將激光收發(fā)模組固定，在前方布置兩面鏡子，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鏡子將激光反射出去，實(shí)現(xiàn)了掃描的效果，但是只能掃描前方一定的角度?；旌瞎虘B(tài)式激光雷達(dá)使用MEMS振鏡實(shí)現(xiàn)激光掃描。MEMS技術(shù)將機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行微型化、電子化設(shè)計(jì)，通過(guò)大批量生產(chǎn)以降低成本，是目前最有希望的車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的技術(shù)路線[6]。MEMS車載激光雷達(dá)的不足之處在于MEMS振鏡掃描角度較小。國(guó)外的研究人員使用了三個(gè)激光二極管，在MEMS振鏡前構(gòu)造了一個(gè)線性陣列，將激光雷達(dá)的目標(biāo)空間水平方向上的視場(chǎng)角延長(zhǎng)了3倍[7-8]。國(guó)內(nèi)的速騰聚創(chuàng)和華為等公司也通過(guò)增加激光收發(fā)組件的方法提高了混合固態(tài)式激光雷達(dá)視場(chǎng)角，使其生產(chǎn)的混合固態(tài)式激光雷達(dá)的水平向視場(chǎng)角達(dá)到120°[9-10]。但是使用多個(gè)激光收發(fā)組件會(huì)增加激光雷達(dá)控制程序和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，增加成本。相對(duì)于使用多個(gè)激光收發(fā)組件，由正負(fù)透鏡組組成的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)可以在不增加激光收發(fā)組件的條件下提高激光雷達(dá)的視場(chǎng)角[11-13]。

本文基于二維MEMS振鏡的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于混合固態(tài)式激光雷達(dá)的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)正聚焦透鏡，一個(gè)f-θ鏡組和一片廣角發(fā)散負(fù)透鏡，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和參數(shù)優(yōu)化，可以將混合固態(tài)式激光雷達(dá)的視場(chǎng)角由±15°擴(kuò)展到±24.25°，并使雷達(dá)射出的激光束在100 m處的光斑小于 10 cm。

1 原 理

如圖1所示，通過(guò)一個(gè)負(fù)透鏡放大MEMS振鏡的掃描角度，但是這樣射出的激光束不能均勻分布。

圖1 基于負(fù)透鏡的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)中，根據(jù)掃描器（振鏡）和聚焦透鏡的位置不同，可分為透鏡前掃描和透鏡后掃描，如圖2所示。透鏡后掃描就是振鏡位于聚焦透鏡之后，如圖2(a)所示。該方案只需校正球差，透鏡設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。但由于像面是圓弧面，故一般不采用這種方案。圖2(b)為透鏡前掃描系統(tǒng)示意圖，振鏡位于聚焦透鏡的前面。透鏡的孔徑取決于入射激光束在其上的光線高，屬于大視場(chǎng)小孔徑光學(xué)系統(tǒng)。f-θ透鏡采用透鏡前掃描方案[14]。

圖2 兩種掃描方式

f-θ鏡組是解決光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)光束非均勻分布的一種可行方法，均勻掃描的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)如圖3所示，準(zhǔn)直的激光束通過(guò)正透鏡組投射到MEMS振鏡上，由于MEMS振鏡的機(jī)械偏轉(zhuǎn)，反射光束通過(guò)f-θ鏡組，然后平行或近似平行地投射到負(fù)透鏡上進(jìn)行角度放大。均勻掃描的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)為保證主光線平行于光軸，其f-θ鏡組設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心，這樣有利于負(fù)透鏡的掃描角度延伸。負(fù)透鏡上的像高h(yuǎn)與光束入射角θi之間的關(guān)系為：

圖3 基于f-θ鏡組與負(fù)透鏡的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)

其中f1為f-θ鏡組的焦距。

光束從負(fù)透鏡出射的角度為θo，入射角θi和出射角θo的關(guān)系為：

其中f2為負(fù)透鏡的焦距。由式(2)可知，當(dāng)f-θ鏡組的焦距f1大于負(fù)透鏡的焦距f2時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)掃描角度的放大。出射光束在目標(biāo)空間平面上的最大掃描范圍S可表達(dá)為：

其中l(wèi)為目標(biāo)空間平面到負(fù)透鏡的距離。令L=l+f2為目標(biāo)空間有效距離，則：

式(4)是一個(gè)線性掃描方程，表明掃描光束在垂直于光軸的目標(biāo)空間平面上的掃描范圍與MEMS振鏡的掃描角度成正比。當(dāng)MEMS振鏡的掃描角度均勻變化時(shí)，目標(biāo)空間平面上光斑大小分布均勻，即通過(guò)f-θ鏡組與負(fù)透鏡組合的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)可以均勻掃描。

2 理想光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MEMS激光雷達(dá)采用波長(zhǎng)為905 nm的脈沖激光器作為光源，其核心部件是一個(gè)光學(xué)轉(zhuǎn)角可調(diào)的二維MEMS振鏡，該MEMS振鏡由蘇州希景微機(jī)電科技有限公司[15]提供，兩軸的光學(xué)掃描角度分別為±15°和±12.5°。由圖 3 可知，整體的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)主要采用三組鏡組完成擴(kuò)散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是一組放置在MEMS振鏡前的聚焦正透鏡組，一組放置在MEMS振鏡后端的f-θ鏡組以及在f-θ鏡組后的單片式擴(kuò)散負(fù)透鏡。聚焦正透鏡一方面對(duì)角度放大時(shí)產(chǎn)生的光束發(fā)散進(jìn)行了補(bǔ)償，一方面使得準(zhǔn)直后的激光束可以全部打在振鏡上，提高M(jìn)EMS振鏡的掃描效率以及激光能量的利用率。設(shè)計(jì)使用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的序列模式對(duì)光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)進(jìn)行仿真，該軟件包含光學(xué)設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及成像分析的功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)系統(tǒng)的激光器波長(zhǎng)以選取相應(yīng)的準(zhǔn)直鏡，經(jīng)調(diào)整光斑直徑約為2.4～2.8 mm，在ZEMAX編輯器中設(shè)置入瞳大小為2.5 mm；因系統(tǒng)光線折轉(zhuǎn)位置在振鏡處，將入射光束的視場(chǎng)角設(shè)置為0°。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用焦距為200 mm的聚焦正透鏡作為MEMES振鏡前的光束會(huì)聚鏡組。平場(chǎng)聚集透鏡及廣角發(fā)散透鏡放置于MEMS振鏡后端，因振鏡為平面反射光學(xué)結(jié)構(gòu)，故不改變系統(tǒng)整體焦距。f-θ鏡組與聚焦鏡組共同組合為光焦度為正的光學(xué)結(jié)構(gòu)，再通過(guò)最后的一片發(fā)散透鏡使得會(huì)聚光束近平行出射。為了便于后續(xù)光路對(duì)光成像的調(diào)整，f-θ鏡組為遠(yuǎn)心光路，由光束擴(kuò)散公式可得，平場(chǎng)聚焦透鏡焦距需要優(yōu)化至小于前置的聚焦正透鏡。設(shè)平場(chǎng)聚焦透鏡組焦距為185 mm，利用理想透鏡，初步測(cè)試確定出三組可行的鏡組焦距以及粗略鏡組主點(diǎn)位置。理想鏡組的光路仿真結(jié)果如圖4所示，理想光學(xué)系統(tǒng)各鏡組焦距參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 理想光學(xué)系統(tǒng)示意圖

表1 理想光學(xué)系統(tǒng)各鏡組焦距參數(shù)

3 光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)光機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脈沖半導(dǎo)體二極管發(fā)光面為矩形，遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑成橢圓形分布，如圖5所示。以武漢高躍光學(xué)生產(chǎn)的TO905070C型脈沖半導(dǎo)體二極管為例，其發(fā)光面尺寸為 200 mm×10 mm，激光器快軸發(fā)散角達(dá)到25°，慢軸發(fā)散角達(dá)到9°。半導(dǎo)體二極管光束準(zhǔn)直有諸多方法，如單透鏡法，倒置望遠(yuǎn)鏡的組合式透鏡法和柱面鏡法等。以上的激光準(zhǔn)直方法設(shè)計(jì)目標(biāo)都只關(guān)注于縮小發(fā)散角，將半導(dǎo)體二極管的發(fā)散角降至毫弧度量級(jí)甚至更小，而并不考慮準(zhǔn)直后的激光光束光斑大小。而混合固態(tài)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)中使用了MEMS振鏡，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直的激光光束二維掃描，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮準(zhǔn)直后的激光光斑大小。

圖5 半導(dǎo)體激光器發(fā)光示意圖

MEMS振鏡的鏡面大小為5 mm，考慮到掃描時(shí)鏡面的掃描有偏轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)直后的入射光方向，光斑半徑需要低于3.5 mm。根據(jù)高斯光束在空中的傳輸理論，發(fā)散角與束腰半徑成反比例關(guān)系。想要達(dá)到光斑直徑和發(fā)散角都處在一定的范圍之內(nèi)，需要考慮其他的方法，本次設(shè)計(jì)采用了將半導(dǎo)體二極管出光耦合進(jìn)光纖，然后再用光纖準(zhǔn)直器對(duì)出射光束準(zhǔn)直的方案。 常見(jiàn)的光纖數(shù)值孔徑NA為0.16、0.22、0.27和0.37，對(duì)應(yīng)的最大入射孔徑角分別為12°、25.4°、31.3°和 42°，考慮到激光器與光纖的耦合效率，本次設(shè)計(jì)選取NA = 0.22的光纖。通?？墒褂霉饫w準(zhǔn)直器對(duì)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)拿}沖激光束進(jìn)行準(zhǔn)直，其內(nèi)部為小型非球面平凸透鏡。光纖的輸出光束具有高斯強(qiáng)度分布，所以可以通過(guò)下面的近似公式來(lái)進(jìn)行理論計(jì)算。其中MFD為模場(chǎng)直徑，f為光纖準(zhǔn)直器焦距，得半發(fā)散角的近似公式。

從式（5）中可以看到經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的發(fā)散角與光纖準(zhǔn)直器焦距成反比。上文中可以得到激光雷達(dá)的角分辨率需要小于0.49°，準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦距可以根據(jù)幾何光學(xué)的原理，得到式 (6)。

經(jīng)過(guò)光學(xué)仿真設(shè)計(jì)，選取準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦距為11 mm，工作波長(zhǎng)范圍從 650 nm 到 1 050 nm。通過(guò)調(diào)整鏡面截距，代入式 (7)可得光斑的水平和豎直發(fā) 散 角 半 角 約 為 0.22° ～ 0.45°， 光 斑 直 徑 約 為2.4～2.8 mm。ZEMAX仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 激光準(zhǔn)直仿真及結(jié)果

3.2 聚焦透鏡組設(shè)計(jì)

因?yàn)镸EMS鏡面較小，為保證入射的激光束全部打在振鏡上，提高振鏡掃描效率以及激光能量利用率，需要在振鏡前端放置一個(gè)用于聚焦的正透鏡組，將激光在MEMS鏡面的光斑半徑做一定的縮小。根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)參數(shù)，聚焦透鏡焦距設(shè)置為200 mm，在光學(xué)仿真軟件里選擇入瞳口徑為2.5 mm，根據(jù)透鏡的焦距設(shè)置F#為80 mm。通過(guò)查詢相關(guān)的光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)置兩個(gè)鏡片的材質(zhì)為F_silica以及SF18。通過(guò)對(duì)光學(xué)評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)置完成鏡組的優(yōu)化。透鏡組的參數(shù)及具體優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 聚焦透鏡組仿真光路圖及成像質(zhì)量圖

3.3 f-θ 鏡組設(shè)計(jì)

平場(chǎng)聚焦鏡組廣泛地運(yùn)用在掃描系統(tǒng)當(dāng)中，它具有像高與掃描角度成線性關(guān)系的特性。f-θ鏡組由三個(gè)透鏡組成，有效焦距為185 mm，光焦度分別為負(fù)、正、正。通過(guò)查詢?cè)O(shè)計(jì)手冊(cè)，負(fù)透鏡與正透鏡的材質(zhì)為F_silica以及SF18，對(duì)該透鏡組優(yōu)化時(shí)，在光學(xué)評(píng)價(jià)函數(shù)里運(yùn)用DISC函數(shù)對(duì)鏡片做優(yōu)化。如圖8所示，優(yōu)化后觀察賽德?tīng)栂禂?shù)，對(duì)產(chǎn)生畸變的幾個(gè)面做非球面的處理使得成像效果更好，畸變度在0.02%以內(nèi)。

圖8 f-θ鏡組仿真光路圖及畸變成像分析

3.4 擴(kuò)散鏡組設(shè)計(jì)

擴(kuò)散鏡組的焦距由最初搭建的理想光學(xué)系統(tǒng)取最優(yōu)值得出，由于理想光學(xué)系統(tǒng)為理想薄透鏡，所設(shè)置位置為鏡組的主點(diǎn)位置。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，鏡片組具有一定的厚度，在已優(yōu)化的鏡組主點(diǎn)位置靠前的前提下，凹透鏡采用單片鏡片并且用非球面的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置焦距為-75 mm，對(duì)鏡片的第一面設(shè)置為非球面，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。

圖9 擴(kuò)散透鏡組仿真光路圖

3.5 光路的組合優(yōu)化

所有的鏡片優(yōu)化之后，通過(guò)預(yù)先計(jì)算設(shè)計(jì)的各鏡組距離把鏡組進(jìn)行組合。用光學(xué)仿真軟件仿真MEMS鏡組時(shí)，在正聚焦透鏡之后的25 mm處添加鏡面，使鏡面后端的光路發(fā)生90°的反射偏轉(zhuǎn)。隨后在鏡面位置添加一個(gè)7.5°的傾斜偏轉(zhuǎn)，使得后置光路偏轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)掃描系統(tǒng)時(shí)，需要用到ZEMAX的多重組態(tài)功能，將鏡面的傾斜角度設(shè)置為多重結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的固有特性，處在邊緣的光斑較為中間的光斑有很大的擴(kuò)散，這對(duì)于激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)顯然是有缺陷的，于是用多重組態(tài)設(shè)置MEMS振鏡的單方向五個(gè)角度，分別為0，1/4，1/2，3/4和1五個(gè)偏轉(zhuǎn)角度。通過(guò)多重組態(tài)加權(quán)優(yōu)化計(jì)算以及一定的手動(dòng)測(cè)試調(diào)整，使得光斑在成像面的尺寸達(dá)到平均最小化，鏡片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2（由于ZEMAX仿真軟件中設(shè)置鏡片參數(shù)時(shí)以面為基準(zhǔn)，表中玻璃材質(zhì)標(biāo)注為“-”的面，其與前一個(gè)面共同組成一個(gè)鏡片）。

表2 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)與光學(xué)元件公差分析

4.1 結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)式(2)～(4)計(jì)算可以得到，當(dāng)各鏡組參數(shù)與理想鏡片組參數(shù)一致時(shí)，光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)的理想掃描角可以達(dá)到θout=54.5°。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到以下兩點(diǎn)：一是理想光學(xué)系統(tǒng)的仿真鏡片為薄透鏡，而實(shí)際設(shè)計(jì)的鏡組具有一定的厚度，鏡片安裝時(shí)需要定位整體鏡組的主點(diǎn)位置，此時(shí)鏡片位置與理想位置有一定的偏差；二是MEMS振鏡后的鏡組視場(chǎng)角較大，因?yàn)殓R片設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)為球面鏡，鏡片邊緣造成的光線像差很大，經(jīng)過(guò)非球面處理后，雖像差有一定校正，但在遠(yuǎn)距離成像時(shí)還是有較大失真，于是需要用適當(dāng)減小掃描角度的方法補(bǔ)償遠(yuǎn)距離的成像質(zhì)量。實(shí)際光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)光路如圖10所示。

圖10 光學(xué)視場(chǎng)角擴(kuò)散仿真光路圖

圖11 所示為振鏡機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度 7.5°，3.75°，0°時(shí)的成像光斑，在組合優(yōu)化的5個(gè)角度中，最大光斑半徑為108 mm，最小尺寸68 mm，在掃描軸上取其他掃描角度時(shí)，可以觀察到光斑大小由中心0°向掃描邊緣逐漸增加，具體仿真結(jié)果如表3所示。最大尺寸距指標(biāo)要求尺寸有約8%的誤差。同時(shí)測(cè)得發(fā)散角為±24.25°，視場(chǎng)角擴(kuò)大倍數(shù)為1.6倍。

圖11 各偏轉(zhuǎn)角下的光斑圖

表3 振鏡偏轉(zhuǎn)角與成像光斑直徑的關(guān)系

該光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由6組透鏡組成且制作難度較低。鏡組結(jié)構(gòu)的本質(zhì)為倒置的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直激光束在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)時(shí)完成了進(jìn)一步的準(zhǔn)直，再次提高了激光的方向性。擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的核心是f-θ鏡組與廣角發(fā)散透鏡，前置聚焦鏡僅起到輔助光線會(huì)聚效果，在MEMS振鏡通過(guò)控制縮小掃描角度時(shí)，激光成像效果會(huì)再次改善。

4.2 光學(xué)元件加工公差分析

加工誤差對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際使用具有較大的影響，因此基于ZEMAX軟件進(jìn)行了加工公差范圍的仿真，該仿真分為準(zhǔn)直鏡組、聚焦鏡組、f-θ 鏡組和擴(kuò)散鏡組四個(gè)部分，分別仿真了三種常用的光學(xué)元件加工公差范圍（±100 μm、±50 μm、±10 μm）內(nèi)極限誤差下的鏡組成像情況，仿真結(jié)果如表4所示。當(dāng)鏡片的加工精度達(dá)到±10 μm，即光學(xué)元件的曲率半徑、中心厚度和直徑的加工公差為±10 μm時(shí)，可接近本文中光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)的理想?yún)?shù)。因此，MEMS激光雷達(dá)的光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)公差范圍為±10 μm。

表4 光學(xué)元件加工精度仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

以MEMS振鏡為掃描系統(tǒng)的激光雷達(dá)存在機(jī)械掃描視場(chǎng)角有限的缺點(diǎn)，因此不適合應(yīng)用于大視場(chǎng)角成像激光雷達(dá)。針對(duì)這種情況，本文提出了一種大視場(chǎng)角掃描的新方法，即在傳統(tǒng)的MEMS的光學(xué)角度擴(kuò)展系統(tǒng)中加入一個(gè)平場(chǎng)掃描透鏡組和一個(gè)廣角擴(kuò)散透鏡組。根據(jù)光學(xué)角度擴(kuò)散的原理，給出了各鏡組焦距參數(shù)與出射角的推導(dǎo)公式。角度擴(kuò)展的完成取決于入射激光束在透鏡表面的光斑大小、焦距和視場(chǎng)之間的關(guān)系。在已知初始光學(xué)掃描角的情況下，通過(guò)預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算需要的鏡片參數(shù)，并調(diào)整各鏡片距離實(shí)現(xiàn)大掃描視場(chǎng)。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX，設(shè)計(jì)了一種基于MEMS振鏡的折疊掃描光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)正聚焦透鏡、f-θ鏡組、廣角發(fā)散透鏡的組合使準(zhǔn)直激光束完成大角度的掃描效果。在成像評(píng)價(jià)中，可以得到在MEMS振鏡調(diào)整為最大掃描模式（±7.5°）時(shí)，系統(tǒng)發(fā)散角為±24.25°，視場(chǎng)角擴(kuò)大倍數(shù)為1.6倍。因此，通過(guò)該系統(tǒng)的激光束可以在 48.5°×48.5°的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)對(duì) 100 m 左右的目標(biāo)進(jìn)行均勻掃描，且光斑尺寸較小。f-透鏡組是像方遠(yuǎn)心光路，擴(kuò)角透鏡組與f-透鏡組之間距離的改變不會(huì)影響主光線的方向，系統(tǒng)裝調(diào)方便。通過(guò)更換不同掃描角度的MEMS振鏡，可將該光學(xué)擴(kuò)角系統(tǒng)應(yīng)用于其他MEMS激光雷達(dá)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，在混合固態(tài)激光雷達(dá)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。后期將根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾持和裝調(diào)機(jī)構(gòu)，搭建基于該光學(xué)系統(tǒng)的廣角激光雷達(dá)技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)，測(cè)試該光學(xué)系統(tǒng)的性能，最終實(shí)現(xiàn)MEMS激光雷達(dá)光學(xué)擴(kuò)角技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)MEMS激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。