在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航與智能工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，固態(tài)LiDAR憑借其高可靠性、低成本與小型化優(yōu)勢(shì)，正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械掃描式LiDAR。作為固態(tài)LiDAR的核心，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接決定了測(cè)距精度、視場(chǎng)角與角分辨率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。其中，衍射光學(xué)元件(DOE)與微透鏡陣列(MLA)的創(chuàng)新應(yīng)用，為突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的物理限制提供了新路徑。本文從光學(xué)原理、系統(tǒng)架構(gòu)、性能優(yōu)化及工程實(shí)踐四個(gè)維度，系統(tǒng)解析DOE與MLA在固態(tài)LiDAR中的技術(shù)價(jià)值與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

DOE與MLA的核心機(jī)理與性能互補(bǔ)

1. DOE：光場(chǎng)調(diào)控的“空間濾波器”

DOE基于光的衍射原理，通過(guò)微納結(jié)構(gòu)(如光柵、菲涅爾波帶片)對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光束的分束、整形與聚焦。其核心優(yōu)勢(shì)在于非機(jī)械式光場(chǎng)調(diào)控：?jiǎn)蝹€(gè)DOE可同時(shí)生成數(shù)十至數(shù)百個(gè)光斑，形成預(yù)設(shè)的點(diǎn)陣分布，適用于大視場(chǎng)、高密度的點(diǎn)云生成。例如，某款用于自動(dòng)駕駛的DOE可將單束激光分束為128×128個(gè)光斑，覆蓋120°×30°視場(chǎng)，角分辨率達(dá)0.1°。

技術(shù)特性：

衍射效率：受限于材料折射率與結(jié)構(gòu)深度，典型硅基DOE在近紅外波段(905nm/1550nm)的衍射效率可達(dá)85%-90%，但多級(jí)衍射會(huì)導(dǎo)致能量分散，需通過(guò)優(yōu)化相位函數(shù)(如二次相位、鋸齒相位)抑制高級(jí)次雜散光。

波長(zhǎng)敏感性：衍射角與波長(zhǎng)成正比(θ∝λ/d)，需采用消色差設(shè)計(jì)或波長(zhǎng)鎖定技術(shù)(如DFB激光器)確保多波長(zhǎng)系統(tǒng)下的光斑穩(wěn)定性。

溫度適應(yīng)性：熱膨脹系數(shù)差異可能導(dǎo)致相位結(jié)構(gòu)變形，需選用低熱膨脹系數(shù)材料(如熔融石英)或引入主動(dòng)溫控(如PID控制Peltier元件)。

2. MLA：光束整形的“微納透鏡陣列”

MLA由密集排列的微透鏡單元組成，每個(gè)單元獨(dú)立對(duì)入射光進(jìn)行聚焦或準(zhǔn)直，實(shí)現(xiàn)光束的并行處理。其核心價(jià)值在于高填充因子與低像差設(shè)計(jì)：通過(guò)優(yōu)化透鏡曲率半徑與陣列周期，MLA可將光斑尺寸縮小至微米級(jí)，同時(shí)保持95%以上的光能利用率。例如，某款用于機(jī)器人SLAM的MLA可將1064nm激光束聚焦為50μm光斑，能量集中度較傳統(tǒng)透鏡提升3倍。

技術(shù)特性：

像差控制：采用非球面設(shè)計(jì)(如偶次多項(xiàng)式曲面)可校正球差與彗差，使光斑能量分布接近艾里斑;通過(guò)折射率匹配層(如SU-8光刻膠)降低界面反射損失。

陣列均勻性：微透鏡尺寸偏差需控制在±1μm以內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致光斑能量分布不均;采用光刻膠熱回流工藝可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)形貌控制。

環(huán)境耐受性：需通過(guò)鹽霧測(cè)試(如MIL-STD-810G)與振動(dòng)測(cè)試(如隨機(jī)振動(dòng)譜密度0.1g2/Hz)驗(yàn)證MLA在惡劣工況下的可靠性。

系統(tǒng)架構(gòu)

1. 發(fā)射端設(shè)計(jì)：光束分束與準(zhǔn)直

在固態(tài)LiDAR的發(fā)射端，DOE與MLA通常組合使用以實(shí)現(xiàn)光束的高效分束與準(zhǔn)直。典型流程為：激光器輸出高斯光束→準(zhǔn)直透鏡(如GTR透鏡)將光束直徑擴(kuò)大至10mm→DOE分束為128×128個(gè)子光束→MLA對(duì)每個(gè)子光束進(jìn)行準(zhǔn)直，輸出平行光束陣列。

關(guān)鍵參數(shù)：

分束比：DOE的分束數(shù)需與MLA的單元數(shù)匹配，避免光束重疊;例如，128×128 DOE需配合128×128 MLA使用。

出射角：MLA的焦距與陣列周期決定出射角(θ=arctan(d/f))，需根據(jù)測(cè)距范圍(如200m)與角分辨率(如0.1°)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

能量均勻性：通過(guò)優(yōu)化DOE的相位分布與MLA的透鏡曲率，使子光束能量差異<5%，確保點(diǎn)云密度均勻。

2. 接收端設(shè)計(jì)：光斑聚焦與信號(hào)提取

在接收端，MLA與DOE的角色反轉(zhuǎn)：MLA將返回光束聚焦至探測(cè)器陣列(如SPAD或APD)，DOE則用于抑制背景光干擾。典型流程為：返回光束→MLA聚焦至探測(cè)器像素→DOE作為空間濾波器，僅允許特定角度的光通過(guò)，抑制太陽(yáng)光等雜散光。

關(guān)鍵參數(shù)：

聚焦效率：MLA的數(shù)值孔徑(NA)需與探測(cè)器尺寸匹配，例如，對(duì)于50μm像素，MLA的NA應(yīng)>0.3以確保光斑完全覆蓋像素。

濾波帶寬：DOE的衍射角帶寬需與發(fā)射光束角度匹配，例如，對(duì)于±5°發(fā)射角，DOE的濾波帶寬應(yīng)控制在±1°以內(nèi)，以抑制90%以上的背景光。

串?dāng)_抑制：通過(guò)深溝槽隔離(DTI)結(jié)構(gòu)降低MLA單元間的光學(xué)串?dāng)_，使串?dāng)_< -20dB。

性能優(yōu)化

1. 衍射效率提升策略

相位函數(shù)優(yōu)化：采用迭代傅里葉變換算法(IFTA)設(shè)計(jì)DOE的相位分布，使衍射效率從85%提升至92%;引入加權(quán)因子平衡主級(jí)次與旁級(jí)次能量。

多層衍射結(jié)構(gòu)：通過(guò)堆疊兩層DOE(如一層分束、一層聚焦)，實(shí)現(xiàn)衍射效率與像差的雙重優(yōu)化;典型雙層DOE在1550nm波段的效率可達(dá)95%。

抗反射涂層：在DOE表面沉積多層介質(zhì)膜(如SiO?/TiO?交替層)，將反射率從4%降至0.5%，提升有效衍射能量。

2. MLA的像差校正技術(shù)

非球面設(shè)計(jì)：采用Zemax優(yōu)化工具設(shè)計(jì)偶次多項(xiàng)式非球面透鏡，使光斑尺寸從50μm縮小至30μm，能量集中度提升40%。

折射率梯度材料：通過(guò)離子交換工藝在玻璃中形成折射率梯度，使MLA的像差校正能力提升2倍，適用于大視場(chǎng)(>60°)系統(tǒng)。

主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)：在組裝過(guò)程中采用六自由度調(diào)整平臺(tái)(精度±1μm)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光斑質(zhì)量(如斯特列爾比)實(shí)現(xiàn)MLA與探測(cè)器的精確對(duì)準(zhǔn)。

工程實(shí)踐

1. 可靠性驗(yàn)證

DOE的耐候性測(cè)試：通過(guò)85℃/85%RH高溫高濕試驗(yàn)(IEC 60068-2-67)驗(yàn)證DOE的相位結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保1000小時(shí)后衍射效率衰減<3%。

MLA的機(jī)械沖擊測(cè)試：依據(jù)MIL-STD-810G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行半正弦波沖擊(峰值50g，持續(xù)時(shí)間11ms)，驗(yàn)證MLA的微透鏡單元無(wú)脫落或變形。

系統(tǒng)級(jí)EMC測(cè)試：在發(fā)射端引入電磁屏蔽罩(如銅箔包裹)，通過(guò)CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)輻射發(fā)射測(cè)試，確保激光驅(qū)動(dòng)電路不干擾車載電子系統(tǒng)。

2. 成本與集成度平衡

DOE的納米壓印工藝：采用UV納米壓印技術(shù)(分辨率<100nm)替代傳統(tǒng)光刻，將DOE成本從50/片降至5/片，同時(shí)保持90%以上衍射效率。

MLA的晶圓級(jí)封裝：通過(guò)晶圓級(jí)玻璃封裝(WLP)技術(shù)將MLA與探測(cè)器陣列集成，減少組裝工序，使單個(gè)接收模塊成本降低60%。

混合集成設(shè)計(jì)：將DOE、MLA與探測(cè)器芯片通過(guò)3D堆疊技術(shù)集成，縮小系統(tǒng)體積至信用卡大小，適用于無(wú)人機(jī)等空間受限場(chǎng)景。

隨著光子晶體與超表面技術(shù)的成熟，DOE的衍射效率有望突破95%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)、偏振與角度的多維度調(diào)控;MLA則可與量子點(diǎn)材料結(jié)合，拓展其紅外響應(yīng)波段至2μm以上，滿足夜間自動(dòng)駕駛需求。在系統(tǒng)層面，DOE與MLA的協(xié)同設(shè)計(jì)將推動(dòng)固態(tài)LiDAR向“全固態(tài)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件”方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)千線級(jí)點(diǎn)云輸出與厘米級(jí)測(cè)距精度，為智能交通與工業(yè)4.0提供核心感知支撐。

固態(tài)LiDAR光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是光場(chǎng)調(diào)控理論與微納制造技術(shù)的深度融合。DOE與MLA的創(chuàng)新應(yīng)用，不僅突破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的物理極限，更為自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航等場(chǎng)景提供了高可靠、低成本的解決方案。未來(lái)，隨著材料科學(xué)與制造工藝的持續(xù)進(jìn)步，DOE與MLA的協(xié)同設(shè)計(jì)將開(kāi)啟固態(tài)LiDAR的新紀(jì)元。