《Optics and Lasers in Engineering》：Design and feasibility study on a compact wide-field LiDAR optical system using polygonal mirrors
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紧凑型LiDAR光学系统通过多面体棱镜（PM）不同棱锥角设计，实现了120°水平视场角（H-FoV）和25°以上垂直视场角（V-FoV），结合一维SPAD阵列与优化接收光学系统，验证了其在高精度三维空间检测中的可行性，适用于自动驾驶等场景。
韩万熙|李尚旭|林智硕|朴努哲|金万辰
韩国首尔西大门区延世路50号延世大学机械工程学院，邮编03722
摘要
本研究提出了一种紧凑型激光雷达（LiDAR）光学系统的设计与可行性，该系统采用具有不同锥角的多边形镜（Polygonal Mirrors, PM），适用于自动驾驶车辆。传统的LiDAR系统在小型化、成本降低以及视场范围（尤其是垂直和水平扫描）方面存在挑战。所提出的基于PM的光学系统实现了120°的水平视场（H-FoV）和超过25°的垂直视场（V-FoV），通过使用照射在PM上的圆柱形光束，这些光束的各个面具有不同的锥角。通过基于理论的计算和远场分析，该系统展示了改进的垂直转向性能以及面与面之间的最小重叠，从而实现了高效的三维空间检测。此外，接收系统的光学设计结合了一维单光子雪崩二极管（SPAD）阵列，确保了高检测精度和紧凑性。通过点云模拟验证了该系统的可行性，使其适用于自动驾驶车辆和其他空间检测场景中的高速LiDAR应用。
引言
光探测与测距（LiDAR）传感器为实现3级及以上的自动驾驶提供了必要的三维空间检测能力。因此，正在开发各种固态LiDAR检测技术，包括光学相位阵列（OPA）传感器、基于MEMS的镜子传感器和Flash LiDAR传感器，以缩小LiDAR传感器的体积并降低成本[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，尽管基于OPA的LiDAR具有电子束转向、高可靠性和低维护成本等优点，但仍面临较大的插入损耗和视场边缘输出降低的问题。基于MEMS的镜子LiDAR系统设计紧凑且重量轻，适合集成到自动驾驶车辆中[6,7]，但它们对共振频率的变化敏感，这使得它们在外部环境变化下不够稳定[6]。相比之下，Flash LiDAR提供了高分辨率的3D成像能力[8]，但其高昂的成本和复杂的数据处理过程仍然是商业化的重大障碍[9]。因此，目前用于开发商用自动驾驶车辆的LiDAR传感器主要采用结合多个光源以实现垂直视场和旋转头或镜子以实现水平视场的光学系统[10,11]。
多边形镜（PM）能够实现非常高的旋转速度，通常可以通过旋转体质心达到数万转/分钟（rpm）。由于这一特性，PM被广泛应用于高速数据处理系统，如电光激光扫描系统[12,13]。它们也被用于需要宽角度快速扫描的机载LiDAR系统进行大地测量成像和3D扫描[14,15]。通常，PM能够对入射激光束进行一维扫描。例如，当一束准直光束照射到水平旋转的PM上时，只进行水平扫描。PM每次旋转的扫描线数等于反射面的数量。例如，使用一个以36,000 rpm旋转的四面PM，每秒的扫描线数为36,000 rpm/60 s * 4 条 = 2,400 条/秒。当一束在垂直方向上汇聚的光束被PM反射时，光束将以与发散角相同的V-FoV发射到空间中，从而通过PM的旋转实现二维空间扫描。来自空间中物体的散射光束可以通过具有V-FoV和一维SPAD阵列的接收光学系统进行检测，以测量飞行时间，从而实现三维空间检测。在这种设置中，水平视场（H-FoV）等于PM一侧的有效扫描角度。例如，使用一个以36,000 rpm旋转的四面PM，每秒的扫描帧数为36,000 rpm/60 s * 4 帧 = 2,400 帧/秒。这种使用在垂直方向上汇聚的圆柱形光束和一维SPAD阵列的方法也应用于一些利用一维旋转MEMS镜子的研究中。然而，为了增加这类系统可检测的V-FoV，需要较大的垂直汇聚和发散角，这要求复杂的接收光学系统具有较大的V-FoV。
在本研究中，我们研究了一种使用具有不同锥角的PM的光学系统，以在接收光学系统中保持较小的V-FoV，同时实现超过四倍的检测V-FoV。目标是通过使用单一面反射角为7.5°的PM，设计出H-FoV和V-FoV分别为120°和超过25°的基于PM的LiDAR传感光学系统。通过检查入射光学的布局和PM，进一步发展了这一概念，并分析了从每个PM表面发出的光束的远场角分布。此外，还设计了一个V-FoV约为7.5°的接收光学系统，并进行了光学分析，使用所设计的LiDAR光学系统检测空间中的点云，从而评估其适用性。
核心概念和基于理论的计算
从根本上讲，PM单个面实现的V-FoV直接对应于入射光束的V-FoV（表示为V-FoV_inc）。当通过PM旋转实现水平光束转向时，每个面都会反射入射的圆柱形光束，同时保持这种垂直角度范围。如果PM有N个面，且每个面被赋予一个与相邻面不同的锥角，该锥角为V-FoV_inc / 2，则
光学系统建模和光束转向原理的验证
为了将图7中示意性的光束转向光学系统实现为实际的光学系统，使用了光学设计软件CODE-V?来设计形成圆柱形光束的入射光学系统。表1和图10展示了形成圆柱形光束的入射光学的表面信息和光学布局。入射光学系统的设计中心波长设置为905纳米（nm），并且考虑了入口瞳孔直径为10毫米（mm）的准直光
通过3D空间中物体的点云图模拟进行验证
在本节中，我们报告了接收光学系统的设计，以评估使用本研究开发的激光雷达传感特性，以及最大化接收效率的光学结构，以及激光雷达传感模拟的结果。从PM反射并辐射到3D空间中的光束被目标物体散射，部分散射光照射到PM的反射面上。
结论
在这项研究中，我们成功设计并展示了一种利用具有不同锥角的多边形镜（PM）的紧凑型激光雷达传感光学系统，实现了水平和垂直方向的宽视场（FoV）。通过优化光学布局和光束转向机制，所提出的系统实现了120°的水平视场（H-FoV）和超过25°的垂直视场（V-FoV），显著提升了空间检测能力。此外，还将一维SPAD阵列集成到系统中
CRediT作者贡献声明
韩万熙：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、资金获取。李尚旭：方法论、调查、正式分析、数据管理。林智硕：方法论、调查、正式分析、数据管理。朴努哲：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。金万辰：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（MSIT）提供（RS-2023–00250444）。
