基于mems微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有MEMS掃描系統(tǒng)，掃描視場角小的問題。它包括聚焦透鏡組、MEMS微鏡、f-θ透鏡組和擴(kuò)角透鏡組；入射光經(jīng)聚焦透鏡組透射后，再經(jīng)MEMS微鏡反射后，入射至f-θ透鏡組，經(jīng)f-θ透鏡組透射后，入射至擴(kuò)角透鏡組，經(jīng)擴(kuò)角透鏡組擴(kuò)角后的透射光與系統(tǒng)光軸的夾角為θ2，且f2小于f1；其中，θ1為經(jīng)MEMS微鏡反射的光與系統(tǒng)光軸的夾角，f2表示擴(kuò)角透鏡組的有效像方焦距，f1表示f-θ透鏡組的焦距；所述的MEMS微鏡的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角為[-4°,+4°]，夾角θ1的范圍是[-8°,+8°]。本發(fā)明主要應(yīng)用在光學(xué)掃描領(lǐng)域。
【專利說明】基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]新一代的激光雷達(dá)系統(tǒng)趨向于體積小型化、輕質(zhì)量和成本低化，MEMS掃描的方式在其中發(fā)揮重要作用。但是MEMS微鏡的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角較小，為了實(shí)現(xiàn)較大的掃描視場，一般需要增加擴(kuò)角光學(xué)系統(tǒng)。通常的作法是在MEMS微鏡前后分別加一片正透鏡和一片負(fù)透鏡，組成擴(kuò)角光學(xué)系統(tǒng)。然而，這種簡單的透鏡組至少存在以下兩點(diǎn)不足:
[0003](I)從負(fù)透鏡出射的激光束為發(fā)散光束，對(duì)于幾米的較近目標(biāo)而言，投射在目標(biāo)上的光斑尺寸不會(huì)很大；而對(duì)于幾十米、上百米甚至更遠(yuǎn)的目標(biāo)而言，投射到目標(biāo)上的光斑尺寸會(huì)變得很大，使其單位面積的能量變小，散射回來的激光能量占發(fā)射的激光總能量的比例較小，信噪比很低而難于被探測器接收到。
[0004](2)擴(kuò)展后的掃描角度一般較小,最多能達(dá)到40度,遠(yuǎn)小于60度。若大視場角大于60度時(shí)，經(jīng)擴(kuò)角光學(xué)透鏡組后的激光束發(fā)散更嚴(yán)重。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有MEMS掃描系統(tǒng)，掃描視場角小的問題，本發(fā)明提供了一種MEMS折疊式掃描光學(xué)系統(tǒng)。
[0006]基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)，它包括聚焦透鏡組、MEMS微鏡、f- Θ透鏡組和擴(kuò)角透鏡組；
[0007]入射光經(jīng)聚焦透鏡組透射后，再經(jīng)MEMS微鏡反射后，入射至Θ透鏡組，經(jīng)f- Θ透鏡組透射后，入射至擴(kuò)角透鏡組，經(jīng)擴(kuò)角透鏡組擴(kuò)角后的透射光與系統(tǒng)光軸的夾角為
(f \
Θ 2，且4=arclan，f2 小于 ；
\Ji J
[0008]其中，Θ i為經(jīng)MEMS微鏡反射的光與系統(tǒng)光軸的夾角，f2表示擴(kuò)角透鏡組的有效像方焦距，f:表示Θ透鏡組的焦距；
[0009]所述的MEMS微鏡的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角為[-4°，+4° ]，夾角Θ i的范圍是[-8°，+8° ]。
[0010]本發(fā)明帶來的有益效果是:
[0011]本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)波長為1550nm、入射光斑大小為I?2mm的激光束對(duì)10m左右距離的目標(biāo)進(jìn)行60°大視場角的掃描。本發(fā)明用MEMS微鏡作為掃描的核心器件,具有掃描速度快，掃描視場角大以及在目標(biāo)上光斑較小等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明的擴(kuò)角部分根據(jù)入射到擴(kuò)角透鏡組上的光斑大小、透鏡的焦距和視場角之間的關(guān)系來布局光學(xué)透鏡；在已知擴(kuò)角前的掃描角Θ I和擴(kuò)角后的掃描角Θ 2的情況下，選擇合適的像高y，進(jìn)而通過一大一小兩個(gè)焦距的適當(dāng)匹配來實(shí)現(xiàn)大視場角掃描的設(shè)計(jì)。
[0013]在MEMS微鏡后的擴(kuò)角系統(tǒng)中包含有兩個(gè)遠(yuǎn)心光學(xué)透鏡組一f- Θ透鏡組的像方遠(yuǎn)心和擴(kuò)角透鏡組的物方遠(yuǎn)心，既可以方便這兩部分的對(duì)接，又可以方便地調(diào)節(jié)f-θ透鏡組和擴(kuò)角透鏡組之間距離來得到目標(biāo)上合適的光斑大小。
[0014]設(shè)激光束光強(qiáng)為均勻分布，直徑為1_，光束經(jīng)過本發(fā)明的系統(tǒng)后，在目標(biāo)距離分別為30m, 60m, 100m, 160m處的光斑大小如下:
[0015]
\^出射角^

?O0 16.39° 23.41° 34.93°
? \ (cm)
30ra0.84 2.32.71 1.72
60m1.69 2.32 2.72 1.73
100m2.82 3.86 4.54 2.90
160m4.54 6.21 7.25 4 64
[0016]可見，最大的掃描角可以達(dá)到69.86° ;在10m距離范圍內(nèi)光斑大小在1cm以下，若激光束光強(qiáng)分布用高斯形式，其相應(yīng)值還會(huì)小一些。因此，本發(fā)明所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)用于60m到160m之間目標(biāo)的掃描。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)的原理不意圖；
[0018]圖2為【具體實(shí)施方式】二所述的聚焦透鏡組的原理示意圖；
[0019]圖3為【具體實(shí)施方式】三所述的三片式f_ Θ透鏡的原理示意圖；
[0020]圖4為【具體實(shí)施方式】四所述的七片式廣角透鏡組的原理示意圖；
[0021]圖5為【具體實(shí)施方式】四所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)的原理示意圖；
[0022]圖6為焦距為10mm的三片式f-θ透鏡的場曲示意圖，其中附圖標(biāo)記S表示弧矢方向，T表不子午方向；
[0023]圖7為焦距為10mm的三片式f_ Θ透鏡的畸變示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]【具體實(shí)施方式】一:參見圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)，它包括聚焦透鏡組1、MEMS微鏡2、f- Θ透鏡組3和擴(kuò)角透鏡組4 ；
[0025]入射光經(jīng)聚焦透鏡組I透射后，再經(jīng)MEMS微鏡2反射后，入射至Θ透鏡組3，經(jīng)f- Θ透鏡組3透射后，入射至擴(kuò)角透鏡組4，經(jīng)擴(kuò)角透鏡組4擴(kuò)角后的透射光與系統(tǒng)光軸的
(f \
夾角為Θ 2,且02=arctan 十-θ、，f2小于A ;

VJi J
[0026]其中，Θ i為經(jīng)MEMS微鏡2反射的光與系統(tǒng)光軸的夾角，f2表示擴(kuò)角透鏡組的有效像方焦距，f:表示f_ Θ透鏡組3的焦距；
[0027]所述的MEMS微鏡2的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角為[-4 °，+4 ° ]，夾角Θ i的范圍是[-8。，+8° ]。
[0028]本實(shí)施方式中，f- Θ透鏡組3像平面上的像高y可以表示為:
[0029]y = A.Θ I (I)，
[0030]經(jīng)擴(kuò)角透鏡組4擴(kuò)角后的透射光與系統(tǒng)光軸的夾角為Θ 2滿足關(guān)系式:
[0031]y = f2.tan Θ 2 (2),
[0032]由式⑴和⑵有關(guān)系式聯(lián)立得，
(f Λ
[0033]^2=Erctan —.(3)，

VΛ
[0034]顯然，要對(duì)MEMS微鏡2進(jìn)行擴(kuò)束，f2必須要比小，這是本擴(kuò)束系統(tǒng)的關(guān)鍵條件；而且要求從擴(kuò)角透鏡組4出射的光束中的光線為平行或接近平行出射，這樣才能使得投射在較遠(yuǎn)目標(biāo)上的激光光斑較小。
[0035]各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)方案:
[0036]聚焦透鏡組I的焦距f設(shè)定為100mm，MEMS微鏡2到它的距離為23.5mm, MEMS微鏡2的掃描角為Θ i = ±8°，f- Θ透鏡組3的焦距100mm，則f- Θ透鏡組3像面的最大像高為y = 13.96mm ;系統(tǒng)擴(kuò)角后的掃描角度為Θ 2 = ±30°，由式I和式2可以計(jì)算得到擴(kuò)角透鏡組4的入瞳口徑應(yīng)設(shè)為28mm，像方有效焦距24mm，其焦距與鏡片直徑的比值F數(shù)約為 0.86。
[0037]在MEMS微鏡后的擴(kuò)角系統(tǒng)中包含有兩個(gè)遠(yuǎn)心光學(xué)透鏡組——f- Θ透鏡組3的像方遠(yuǎn)心和擴(kuò)角透鏡組4的物方遠(yuǎn)心，既可以方便這兩部分的對(duì)接，又可以方便地調(diào)節(jié)f_ Θ透鏡組3和擴(kuò)角透鏡組4之間距離來得到目標(biāo)上合適的光斑大小。
[0038]本實(shí)施方式中的，圖1中的入射至聚焦透鏡組I的兩條光線表示一束光。
[0039]【具體實(shí)施方式】二:參見圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的聚焦透鏡組I為兩片式前置正透鏡組，兩片式前置正透鏡組包括共軸的I號(hào)凸透鏡1-1和I號(hào)凹透鏡1-2，且該I號(hào)凸透鏡1-1的入射面為兩片式前置正透鏡組的入射面，所述的I號(hào)凸透鏡1-1和I號(hào)凹透鏡1-2的材料不同，且均適用1550nm波長的激光。
[0040]本實(shí)施方式，正如圖2所示，MEMS前面的I號(hào)凸透鏡1_1和I號(hào)凹透鏡1_2組成的聚焦透鏡組，聚焦透鏡組I焦距可設(shè)計(jì)為100mm。它由兩種不同的適用于1550nm光的紅外折射率材料組成。
[0041]【具體實(shí)施方式】三:參見圖1和3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)的區(qū)別在于,所述的Θ透鏡組3為三片式f-θ透鏡，所述的三片式f-θ透鏡包括共軸的三塊透鏡，所述的共軸的三塊透鏡依次為2號(hào)凹透鏡3-1、2號(hào)凸透鏡3-2、3號(hào)凸透鏡3-3，且2號(hào)凹透鏡3_1的入射面為f- Θ透鏡組3的入射面。
[0042]本實(shí)施方式，正如圖3所示，三片式f-θ透鏡由三塊鏡片構(gòu)成，三片式f-θ透鏡的最佳焦距為100mm。三塊透鏡依次為2號(hào)凹透鏡3_1、2號(hào)凸透鏡3_2、3號(hào)凸透鏡3_3，且它們的材料分別為熔融石英玻璃F_SILICA，SF18，SF18。2號(hào)凹透鏡3_1的鏡片彎向入射光束側(cè)。其曲率半徑在表1中列出，它們的中心厚度也在表2中列出。經(jīng)過多次優(yōu)化，其MTF函數(shù)和點(diǎn)列圖Sro均達(dá)到衍射極限，相對(duì)畸變小于0.02%，如圖6和圖7所示，其中圖6中的S表不弧矢方向，T表不子午方向。它優(yōu)化為像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，在像面的最大像聞為13.9mm,最大掃描角為8。，工作波長1550nm。
[0043]K5表不2號(hào)凹透鏡3-1的第一面,K6表不2號(hào)凹透鏡3-1的第二面,K7表不2號(hào)凸透鏡3-2的第一面,K8表不2號(hào)凸透鏡3-2的第二面,K9表不3號(hào)凸透鏡3_3的第一面，KlO表不3號(hào)凸透鏡3-3的第二面。
[0044]表1.焦距為10mm的f- Θ透鏡組的參數(shù)(單位:mm)
[0045]

【權(quán)利要求】
1.基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，它包括聚焦透鏡組(1)、MEMS微鏡⑵、f- Θ透鏡組⑶和擴(kuò)角透鏡組⑷； 入射光經(jīng)聚焦透鏡組(I)透射后，再經(jīng)MEMS微鏡(2)反射后，入射至f-θ透鏡組(3)，經(jīng)f- Θ透鏡組(3)透射后，入射至擴(kuò)角透鏡組(4)，經(jīng)擴(kuò)角透鏡組(4)擴(kuò)角后的透射光與系

f f λ統(tǒng)光軸的夾角為Θ 2，且6?2=arctan，f2小于; 其中，Q1為經(jīng)MEMS微鏡(2)反射的光與系統(tǒng)光軸的夾角，&表示擴(kuò)角透鏡組的有效像方焦距，f:表示Θ透鏡組(3)的焦距； 所述的MEMS微鏡⑵的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角為[-4°，+4° ]，夾角Θ 范圍是[-8°，+8° ]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述的聚焦透鏡組(I)為兩片式前置正透鏡組，兩片式前置正透鏡組包括共軸的I號(hào)凸透鏡(1-1)和I號(hào)凹透鏡(1-2)，且該I號(hào)凸透鏡(1-1)的入射面為兩片式前置正透鏡組的入射面，所述的I號(hào)凸透鏡(1-1)和I號(hào)凹透鏡(1-2)的材料不同，且均適用1550nm波長的激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述的f-θ透鏡組(3)為三片式f-θ透鏡，所述的三片式f-θ透鏡包括共軸的三塊透鏡，所述的共軸的三塊透鏡依次為2號(hào)凹透鏡(3-1)、2號(hào)凸透鏡(3-2)、3號(hào)凸透鏡(3-3)，且2號(hào)凹透鏡(3-1)的入射面為f-θ透鏡組(3)的入射面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng),其特征在于，所述的擴(kuò)角透鏡組(4)為七片式廣角透鏡組，所述的七片式廣角透鏡組包括四片式正透鏡組(4-1)、光闌(4-2)和三片式望遠(yuǎn)鏡(4-3)，且光闌(4-2)位于四片式正透鏡組(4_1)和三片式望遠(yuǎn)鏡(4-3)之間，四片式正透鏡組(4-1)的入射面為七片式廣角透鏡組的入射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述的聚焦透鏡組(I)為焦距150mm正膠合透鏡、焦距10mm正膠合透鏡或焦距200mm正膠合透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MEMS微鏡折疊式的掃描光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述的I號(hào)凸透鏡(1-1)為熔融石英玻璃材料F_SILICA，折射率為1.458464 ；1號(hào)凹透鏡(1_2)為SF18玻璃，折射率為1.72151。
【文檔編號(hào)】G02B26/10GK104181691SQ201410461046
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】王春暉, 李小寶, 任逍遙 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)