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MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统设计的中期报告
一、引言
随着智能车辆、工业自动化、机器人视觉等领域的发展，激光雷达技术越来越受到关注。激光雷达以其高精度、高分辨率、长测距、大覆盖面积等优点被广泛应用于3D地图构建、车辆导航、障碍检测等领域。MEMS微型化技术在激光雷达中应用得越来越广泛，克服了传统机械式扫描器的体积大、难以集成和稳定性不高等缺点，具有体积小、重量轻、功耗低、扫描精度高等优点，因此成为新一代激光雷达系统的重要组成部分。
本报告旨在详细介绍MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统的设计过程和关键技术，旨在为后续设计提供参考和借鉴。
二、系统设计
1.MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统介绍
MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统是由激光器、微型化光学系统和MEMS微镜扫描器组成的，如图1所示。
图1MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统示意图
激光器将激光信号转换为光信号，经过微型化光学系统形成一束平面光束，然后通过MEMS微镜扫描器控制扫描方向和扫描速度，将平面光束转化为各向异性立体扫描信号以覆盖整个扫描区域。通过控制和处理反射信号，可以获得高分辨率、高精度的三维图像信息。
下面分别从激光器、微型化光学系统和MEMS微镜扫描器三个方面详细介绍设计过程和关键技术。
2.激光器设计
激光器主要用于将电信号转换成光信号，常见的激光器有半导体激光器、铥酸钇激光器、高功率二极管激光器等。在设计中需要根据需求选取合适的激光器，并根据设计要求制定相应激光器的驱动电路。
在设计过程中，需要考虑激光器的光谱宽度、输出光功率、发射角度和模式等参数。例如，在车辆导航中要求激光器发射的光束直线、稳定和高功率，因为光束发散度低，所以扫描范围可以得到保证，而且输出功率越大，探测距离越远。
3.微型化光学系统设计
微型化光学系统主要用于控制发射光束的形状和方向，目的是实现更好的控制和定向扫描。要保证扫描范围充分覆盖各个方向，需要将激光束转化为各向异性的立体扫描信号，并具有高效传输和准确聚焦的性质。
在设计过程中，需要充分考虑光学成像、衍射、光路规划、光路稳定等问题，选用适当的光学器件进行优化设计，如激光透镜、凸透镜、反射器等。同时还要考虑器件的制造工艺和可靠性，对光路稳定性和抗干扰性要做好相应的测试和验证，以确保系统的稳定性和可靠性。
4.MEMS微镜扫描器设计
MEMS微镜扫描器是微型化激光雷达发射光学系统的关键部件，主要用于实现扫描方向和扫描速度的控制。MEMS微镜扫描器的工作原理是利用振荡源驱动MEMS微型铰链，使微镜在一定角度范围内进行振荡，实现扫描功能。
在设计过程中，需要确定MEMS微型铰链主要的物理参数，选取合适的振荡源进行驱动，并充分考虑MEMS设备制造工艺、控制电路方案、稳定性等问题，对MEMS微镜扫描器进行仿真和实验验证，确保设计的可靠性和稳定性。
三、技术方案
在设计过程中，我们采用基于Lumentum公司1544nmDFB激光器和CollinsAerospace公司Micro-Electro-MechanicalSystems(MEMS)扫描镜的MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统为例，具体技术方案如下：
1.激光器模组采用半导体激光器，能够在短时间内输出高功率、高稳定性的光束，具有可靠性高、适应性强等优点。
2.微型化光学系统采用凸透镜、激光透镜、反射器等器件，可以实现光线软硬口径的控制和光线方向改变，保证光线稳定和精准聚焦。
3.MEMS微镜扫描器采用CollinsAerospace公司的MEMS扫描镜，能够在广泛的角度范围内高效地扫描放射光束，输出高分辨率、高精度的成像图像。
四、结论
本报告详细介绍了MEMS微镜扫描激光雷达发射光学系统的设计过程和关键技术，并结合实际技术方案给出相应的技术方案。通过分析和验证，我们可以发现这种系统具有高精度、高分辨率、长测距、大覆盖面积等优点，将成为未来车辆导航、机器人视觉等领域的重要组成部分。