自由曲面光场调控，提升单光子阵列激光雷达的成像性能
2026-10-01 10:16:35 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文所提出的方案在激光功率受限、光学系统体积紧凑的条件下，可满足大视场和高效率探测的需求，为弱光环境下运行的单光子三维成像激光雷达提供了一种工程可行且可实现的技术方案，在低空探测、安全成像等相关领域展现出良好的应用前景。
在单光子激光雷达（LiDAR）探测技术的发展过程中，早期研究多采用单点探测器，通过空间扫描和时间累积来获取目标信息。这类方法虽在探测灵敏度和时间精度上具备优势，但其成像效率与系统响应速度存在一定局限。随着探测需求与制造工艺的持续进步，单光子探测器逐步向阵列化方向发展，使同时实现高探测灵敏度与快速成像成为可能。然而，阵列探测在提升系统性能的同时，也带来了新的挑战。
与传统逐点扫描探测方法相比，光场调控将光束重塑为平面或点阵阵列，无需依赖高精度转台即可实现整个探测区域的光能覆盖，有效提升了系统的成像速率，并降低了光路对准和校准匹配的复杂度。在单光子探测阵列像素填充率有限的情况下，如何利用各类光学器件实现激光光场的空间调制，进而精准提升探测区域内的有效回波功率、显著改善系统性能，已成为单光子探测领域的重要研究方向。因而，探索一种结构简单、能量利用效率高、光场分布可控的空间光场调控方法，对提升单光子阵列探测系统的整体性能具有重要意义。
据麦姆斯咨询报道，针对单光子阵列激光雷达系统固有的光学效率低、光照不均匀等关键瓶颈，中国科学院光电技术研究所和中国科学院大学的研究团队提出了一种融合正交双向迭代自由曲面光场整形与全变分（TV）正则化图像重建的成像框架。该方案的核心光学创新在于提出了一种基于正交双向迭代算法的自由曲面透镜设计策略，该策略在入射高斯光束与适配盖革模式雪崩光电二极管（GM-APD）像素阵列布局的均匀点阵光场之间建立了精准的能量映射关系。这种折射式光束整形将原始高斯辐射转换为能量分布均匀的平顶光斑阵列。
数值仿真验证表明，所提出的自由曲面光场调控方案实现了89.1%的光能量利用率和96.5%的光照均匀度，从根本上解决了阵列接收器中心像素饱和与外围探测盲区之间的权衡问题。所提方案可满足阵列型单光子探测的大视场（FoV）需求，在激光输出功率受限、光学封装紧凑的情况下实现了显著的成像性能提升。该研究为高效率、远距离单光子三维成像激光雷达提供了一种切实可行的光学解决方案。相关研究成果已经以“Enhancing the imaging performance of single-photon array detection through freeform-surface-based light field modulation”为题发表于Optics Express期刊。
图1 基于单光子阵列探测器的激光雷达方程模型
方法和理论
研究人员系统阐述了基于光场调控的单光子探测与成像的理论基础。首先介绍了GM-APD阵列探测对回波信号的响应机制，指出了阵列占空比低导致能量损耗等系统限制因素。针对阵列探测的能量瓶颈，分析并论证了基于能量守恒映射与斯涅尔定律的自由曲面光束调制理论在实现低损耗、高均匀性光场重构方面的显著优势。最后，简要介绍了当前单光子探测成像中常用的基于最大似然估计（MLE）的图像重建理论。
模型设计与仿真分析
研究人员构建了从发射端到接收端的系统级仿真模型，涵盖光子发射、目标反射与探测器统计响应，同时搭建了一个具备连续空间深度梯度的三维测试场景。随后，对不同光场分布下探测器阵列的回波响应特性及像素信噪比进行了定量分析与对比。针对传统逐像素深度估计在极低回波光子数环境中易出现深度误判的问题，引入并实现了一种基于全变分正则化的图像重建算法。
图2 16 x 16阵列自由曲面透镜的三维面形矢高分布
图3 衍射光学元件（DOE）光束整形结果
图4 各个GM-APD探测器像素接收能量的三维直方图：（a）平面光束；（b）G-S迭代；（c）自由曲面方法
该研究提出的自由曲面光学方法在各项评价指标上均实现了突破性提升。其中，均方根（RMS）值显著降至0.284，远低于前两种方法，证明该设计可有效抑制局部光强波动，生成平坦度极高的平顶光束。同时，光能利用率大幅提升至89.1%，是平面光束法的3.5倍以上，达到G-S迭代法的2.3倍，表明该方法通过精准的几何光线映射，成功将大部分激光能量限制在探测器的有效像素区域内，大幅降低了系统功耗。此外，光强均匀度达到96.5%，几乎实现理想的均匀照明，这对GM-APD阵列至关重要，可保证中心与边缘像素的探测概率一致，从而最大化系统的有效动态范围与成像质量。
实验验证
在充分论证光场调控技术在提升单光子探测能量利用率与信噪比方面的理论优势后，研究人员进一步搭建了光学实验平台与单光子探测平台，以验证所提出调控方案及重构算法在实际物理场景中的可行性与实际效果。
鉴于自由曲面透镜存在加工周期长、成本较高的实际局限，实验采用了反射式液晶空间光调制器（SLM）搭建等效光场调控实验平台，成功在目标表面获得算法设计生成的二维阵列空间光场分布，并从物理层面验证了相位映射与光场调控算法的正确性。
随后，研究人员构建了端到端的单光子成像探测实验系统，在同一测试环境下，对调制光场与传统扩束漫射激光进行了对比。结合探测器采集的真实弱回波光子统计数据，并结合最大似然估计与全变分正则化算法完成目标的三维距离重建，从而对光场调控技术在实际单光子三维成像中对精度的提升效果进行了客观量化与全面评估。
图5 单光子探测成像实验装置
图6 采用两种照明模式和两种重建算法对22.4米目标采集的实验数据进行重建得到的深度图
结论
针对单光子阵列激光雷达系统在稀疏光子环境中存在的光能利用率低、照明均匀性差以及噪声干扰严重等关键挑战，该研究提出了一种融合自由曲面光场调控与全变分正则化图像重建的成像增强方法。通过正交双向迭代算法设计了自由曲面整形透镜，实现了高斯光束到均匀阵列光场的精准能量映射。
该方法使光能利用效率达到89.1%，光强均匀性达96.5%，有效解决了阵列探测中心像素饱和与边缘盲区共存的问题。在稀疏光子场景下，采用全变分正则化重建算法抑制噪声并保留目标的精细边缘细节。在22.4米距离下开展的夜间野外实验表明，深度重建的平均绝对误差（MAE）从2.2373米（未调控状态）降至0.3176米，成像精度得到显著提升。
综上，所提出的方案在激光功率受限、光学系统体积紧凑的条件下，可满足大视场和高效率探测的需求，为弱光环境下运行的单光子三维成像激光雷达提供了一种工程可行且可实现的技术方案，在低空探测、安全成像等相关领域展现出良好的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.606003
延伸阅读：
上一篇：基于SPAD传感器的原生彩色激光雷达革新自动驾驶应用
下一篇：最后一页