固态LiDAR光学系统设计：衍射光学元件（DOE）与微透镜阵列（MLA）应用

在自动驾驶、机器人导航与智能工业检测领域，固态LiDAR凭借其高可靠性、低成本与小型化优势，正逐步取代传统机械扫描式LiDAR。作为固态LiDAR的核心，光学系统的设计直接决定了测距精度、视场角与角分辨率等关键性能指标。其中，衍射光学元件(DOE)与微透镜阵列(MLA)的创新应用，为突破传统光学系统的物理限制提供了新路径。本文从光学原理、系统架构、性能优化及工程实践四个维度，系统解析DOE与MLA在固态LiDAR中的技术价值与设计要点。

DOE与MLA的核心机理与性能互补

1. DOE：光场调控的“空间滤波器”

DOE基于光的衍射原理，通过微纳结构(如光栅、菲涅尔波带片)对入射光进行相位调制，实现光束的分束、整形与聚焦。其核心优势在于非机械式光场调控：单个DOE可同时生成数十至数百个光斑，形成预设的点阵分布，适用于大视场、高密度的点云生成。例如，某款用于自动驾驶的DOE可将单束激光分束为128×128个光斑，覆盖120°×30°视场，角分辨率达0.1°。

技术特性：

衍射效率：受限于材料折射率与结构深度，典型硅基DOE在近红外波段(905nm/1550nm)的衍射效率可达85%-90%，但多级衍射会导致能量分散，需通过优化相位函数(如二次相位、锯齿相位)抑制高级次杂散光。

波长敏感性：衍射角与波长成正比(θ∝λ/d)，需采用消色差设计或波长锁定技术(如DFB激光器)确保多波长系统下的光斑稳定性。

温度适应性：热膨胀系数差异可能导致相位结构变形，需选用低热膨胀系数材料(如熔融石英)或引入主动温控(如PID控制Peltier元件)。

2. MLA：光束整形的“微纳透镜阵列”

MLA由密集排列的微透镜单元组成，每个单元独立对入射光进行聚焦或准直，实现光束的并行处理。其核心价值在于高填充因子与低像差设计：通过优化透镜曲率半径与阵列周期，MLA可将光斑尺寸缩小至微米级，同时保持95%以上的光能利用率。例如，某款用于机器人SLAM的MLA可将1064nm激光束聚焦为50μm光斑，能量集中度较传统透镜提升3倍。

技术特性：

像差控制：采用非球面设计(如偶次多项式曲面)可校正球差与彗差，使光斑能量分布接近艾里斑;通过折射率匹配层(如SU-8光刻胶)降低界面反射损失。

阵列均匀性：微透镜尺寸偏差需控制在±1μm以内，否则会导致光斑能量分布不均;采用光刻胶热回流工艺可实现亚微米级形貌控制。

环境耐受性：需通过盐雾测试(如MIL-STD-810G)与振动测试(如随机振动谱密度0.1g²/Hz)验证MLA在恶劣工况下的可靠性。

系统架构

1. 发射端设计：光束分束与准直

在固态LiDAR的发射端，DOE与MLA通常组合使用以实现光束的高效分束与准直。典型流程为：激光器输出高斯光束→准直透镜(如GTR透镜)将光束直径扩大至10mm→DOE分束为128×128个子光束→MLA对每个子光束进行准直，输出平行光束阵列。

关键参数：

分束比：DOE的分束数需与MLA的单元数匹配，避免光束重叠;例如，128×128 DOE需配合128×128 MLA使用。

出射角：MLA的焦距与阵列周期决定出射角(θ=arctan(d/f))，需根据测距范围(如200m)与角分辨率(如0.1°)优化设计。

能量均匀性：通过优化DOE的相位分布与MLA的透镜曲率，使子光束能量差异<5%，确保点云密度均匀。

2. 接收端设计：光斑聚焦与信号提取

在接收端，MLA与DOE的角色反转：MLA将返回光束聚焦至探测器阵列(如SPAD或APD)，DOE则用于抑制背景光干扰。典型流程为：返回光束→MLA聚焦至探测器像素→DOE作为空间滤波器，仅允许特定角度的光通过，抑制太阳光等杂散光。

关键参数：

聚焦效率：MLA的数值孔径(NA)需与探测器尺寸匹配，例如，对于50μm像素，MLA的NA应>0.3以确保光斑完全覆盖像素。

滤波带宽：DOE的衍射角带宽需与发射光束角度匹配，例如，对于±5°发射角，DOE的滤波带宽应控制在±1°以内，以抑制90%以上的背景光。

串扰抑制：通过深沟槽隔离(DTI)结构降低MLA单元间的光学串扰，使串扰< -20dB。

性能优化

1. 衍射效率提升策略

相位函数优化：采用迭代傅里叶变换算法(IFTA)设计DOE的相位分布，使衍射效率从85%提升至92%;引入加权因子平衡主级次与旁级次能量。

多层衍射结构：通过堆叠两层DOE(如一层分束、一层聚焦)，实现衍射效率与像差的双重优化;典型双层DOE在1550nm波段的效率可达95%。

抗反射涂层：在DOE表面沉积多层介质膜(如SiO₂/TiO₂交替层)，将反射率从4%降至0.5%，提升有效衍射能量。

2. MLA的像差校正技术

非球面设计：采用Zemax优化工具设计偶次多项式非球面透镜，使光斑尺寸从50μm缩小至30μm，能量集中度提升40%。

折射率梯度材料：通过离子交换工艺在玻璃中形成折射率梯度，使MLA的像差校正能力提升2倍，适用于大视场(>60°)系统。

主动对准技术：在组装过程中采用六自由度调整平台(精度±1μm)，通过实时监测光斑质量(如斯特列尔比)实现MLA与探测器的精确对准。

工程实践

1. 可靠性验证

DOE的耐候性测试：通过85℃/85%RH高温高湿试验(IEC 60068-2-67)验证DOE的相位结构稳定性，确保1000小时后衍射效率衰减<3%。

MLA的机械冲击测试：依据MIL-STD-810G标准进行半正弦波冲击(峰值50g，持续时间11ms)，验证MLA的微透镜单元无脱落或变形。

系统级EMC测试：在发射端引入电磁屏蔽罩(如铜箔包裹)，通过CISPR 25标准辐射发射测试，确保激光驱动电路不干扰车载电子系统。

2. 成本与集成度平衡

DOE的纳米压印工艺：采用UV纳米压印技术(分辨率<100nm)替代传统光刻，将DOE成本从50/片降至5/片，同时保持90%以上衍射效率。

MLA的晶圆级封装：通过晶圆级玻璃封装(WLP)技术将MLA与探测器阵列集成，减少组装工序，使单个接收模块成本降低60%。

混合集成设计：将DOE、MLA与探测器芯片通过3D堆叠技术集成，缩小系统体积至信用卡大小，适用于无人机等空间受限场景。

随着光子晶体与超表面技术的成熟，DOE的衍射效率有望突破95%，同时实现波长、偏振与角度的多维度调控;MLA则可与量子点材料结合，拓展其红外响应波段至2μm以上，满足夜间自动驾驶需求。在系统层面，DOE与MLA的协同设计将推动固态LiDAR向“全固态、无运动部件”方向发展，最终实现千线级点云输出与厘米级测距精度，为智能交通与工业4.0提供核心感知支撑。

固态LiDAR光学系统的设计，本质上是光场调控理论与微纳制造技术的深度融合。DOE与MLA的创新应用，不仅突破了传统光学系统的物理极限，更为自动驾驶、机器人导航等场景提供了高可靠、低成本的解决方案。未来，随着材料科学与制造工艺的持续进步，DOE与MLA的协同设计将开启固态LiDAR的新纪元。