撰稿|由课题组供稿
近日，浙江大学马云贵教授团队及合作者在半导体激光雷达扫描系统的研究中取得重要进展。他们通过超表面和传统离轴微透镜阵列扫描技术结合，实现了该类扫描方案的角分辨率，视场，和理论扫描速度的极大提升，并通过实验验证其在激光雷达系统中的应用潜力。该成果以“A Semi-solid Micro-Mechanical Beam Steering System Based on Micro-Meta-Lens Arrays”为题，于2022年2月8日发表在Nano Letters。
近年来，随着智能驾驶，室内建模等新兴技术的发展，激光雷达（Lidar）作为三维感知的核心工具一直是学术研究热点，并且备受社会各界关注。其中，光束控制扫描器件是Lidar的核心部件。高分辨，大视场，高扫描速度，以及大的探测距离是光束扫描器件追求的目标。目前，大多数的激光扫描方案针对特定的使用需求，在上述某些指标方面探索到极致，但是很难综合各项指标，提供一种更全面综合的方案来适应更广泛的应用需求。半固态激光雷达兼具了机械Lidar和全固态Lidar方案的优势，但是传统的技术背景很难将其优势发挥到极致，超越现有方案成为主流。
作为半固态激光扫描技术的一种方案，离轴微透镜阵列扫描系统可以利用微透镜阵列之间的微小位移有效地控制输出光束的指向，如图1A所示，其同时兼具大口径、高分辨能力、大视场角、高扫描频率、高负载功率的发展潜力。在该方案中，透镜的数值孔径(Numerical Aperture, N.A.)是决定扫描频率和视场角的关键指标，但是受限于传统光学器件的小N.A.的约束，该方案很难与其他技术媲美，于是在上世纪90年代被提出后就鲜有问津。
图1 传统和新型超表面技术在实现离轴微透镜阵列扫描系统的对比图。图A为传统离轴微透镜阵列扫描系统光路图。图B为超表面微透镜阵列扫描系统示意图。其由一组单层超表面微透镜阵列(M I)和双层超表面微透镜阵列(M II、M III)组成，微小的相对位移Δd可以引起出射光束大角度变化Δθ。
近年来，超表面微透镜成为研究热点。相比于传统折射型微透镜，超表面微透镜具备轻薄微形，强像差矫正能力的优势，相比于传统浮雕衍射元件，超表面的高空间采样率可以极大的避免系统杂散光的产生，提高衍射效率。超表面微透镜的这些优势在大N.A.下表现的尤为突出，甚至不能用传统光学元件代替。
鉴于此，浙江大学光电学院马云贵教授及其团队将超表面微透镜阵列应用于离轴微透镜阵列扫描系统中，如图1B所示，使其在70um×70um的最大离轴位移量下得到30°×30°的视场角和0.14°的角分辨率。该扫描系统由一组单层超表面微透镜阵列和一组双层超表面微透镜阵列组成，其总体积小于0.5mm3。其中双层超表面微透镜阵列的优化设计是研究的一大亮点，其在保证了离轴像差的矫正能力的同时，极大的优化了透镜的出光口径并保持了其远心聚焦的特性，使其在系统中极大的减小了系统像差和衍射带来的高阶旁瓣。超表面微透镜的高N.A.（0.77，F数约为0.41）特性在保持视场角的前提下极大的减小了侧向位移量，并且得益于超表面轻薄的特性，使其在结合现有压电陶瓷芯片下，拥有高扫描频率的潜能（>10kHz）。该研究中的超表面微透镜阵列理论上可以横向扩大到任意尺寸来满足实际应用场景的分辨率和输出功率的需求。
课题组对设计样品进行了详细的表征并验证了其在Lidar系统中作为扫描器件的功能，获得了模拟街景的深度扫描图，如图2所示。该研究有助于推动半固态Lidar的发展研究，重新激发人们对离轴微透镜阵列扫描方案的关注，让传统扫描方案焕发新的生机。
图2. 模拟街景深度扫描演示。图A是激光雷达测试光路图。图B是模拟街景的扫描场景。图C是计算获得的3维深度图像。
该研究还设计了一组更小型化，更轻薄的扫描系统，预研了微扫描系统在保证视场角的前提下拥有更高的扫描速度(~50kHz)的潜力。该技术结合快速光电相位调制技术，有望实现高密度的连续扫描，成为下一代新兴激光雷达扫描器件的潜在应用方案。
该工作的合作者为浙江大学机械学院的居冰峰教授。论文第一作者为马云贵教授指导的博士生陈瑞。上述研究得到国家自然科学基金的支持。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04493
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