MEMS scanners with diffractive optical elements for LiDAR applications

Abstract

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) applied to optical scanning systems have the ability to modulate light using a miniaturised system and have driven several developments in Light Detection and Ranging (LiDAR), motivated by the demand for autonomous vehicles. LiDAR MEMS scanning devices are able to replace current state-of-the-art bulky mechanical LiDAR systems, not only by reducing size and costs but also by facilitating their integration in vehicles. The integration of diffraction optical elements into scanning MEMS mirrors further enables a large field of view (FoV) to be obtained by diffracting the incident beam into a regular spot pattern and is being explored for LiDAR applications. This work presents the development of an optical MEMS device to integrate the scanning module of a LiDAR system that is capable of achieving up to 86° per 13° field of view with five diffracted uniform beam spots. The device presents novel features related to its key performance aspects and the micromachining process. In this device, a surface relief DOE is integrated onto the MEMS mirror surface to split the laser beam into five uniform spots, with a diffraction angle of 2.6°. The device also exploits the use of asymmetric electrodes to enable the control of the mirror angle in two- axes. These electrostatic actuators were defined using a novel self-aligned micromachining process combining standard bulk techniques with grayscale lithography. With these novel beam splitting and steering features, the required mechanical deflection of the MEMS actuator is smaller, resulting in a more robust mechanical structure. In addition, a nanoimprint lithography process was developed to replicate the multilevel patterns and to further optimize the throughput to a batch production level, decreasing 40 times the necessary time and 82 times the overall lithography costs. The device’s mechanical and optical properties were experimentally obtained. The results show a resonant plus non-resonant configuration, useful for a better non-lissajous scanning coverage, with a large horizontal angle (above 60°) at the natural frequency of 1240 Hz, taking advantage of the Q-factor of 24 and five quasi-static vertical FoVs (10 Hz) of 2.6° each. The DOE uniformity and angular aperture were within the expected values, above 30% and within 2.6°±0.15°, respectively, for all incident laser angular conditions, given the MEMS torsional motion.

A tecnologia MEMS, devido à sua capacidade de modular luz através de um sistema miniaturizado, tem sido fundamenral em sistemas de varrimento que, aliados ao progresso de veículos autónomos, têm impulsionado vários desenvolvimentos em Light Detection and Ranging (LiDAR) baseados em MEMS. Estes são capazes de substituir os atuais sistemas LiDAR presentes na literatura, que dependem de mecanismos mecânicos volumosos, reduzindo não só o tamanho e custos associados, mas também facilitando a sua integração num veículo. A integração de elementos ópticos de difração em espelhos MEMS tem sido investigado para aplicações LiDAR mostrando se particularmente promissora. Esta abordagem, que utiliza a difração de um feixe laser para expandir o campo de visão (FoV), tem mostrado grande potencial. Esta tese apresenta o desenvolvimento de um dispositivo MEMS óptico para aplicações LiDAR, capaz de atingir até 86° por 13° de FoV, difratando o feixe laser em cinco pontos uniformes. As inovações inerentes ao dispositivo incluem aspectos de funcionamento e técnicas de microfabricação. Neste dispositivo, o elemento difrativo, integrado na superfície refletiva do espelho, divide o feixe de laser em cinco pontos, com um ângulo de difração de 2,6°. Este apresenta eletrodos assimétricos para atuar e defletir o espelho em dois eixos, criados através de um processo de microfabricação inovador, combinando técnicas de fabricação bulk com litografia grayscale. Com a fusão de técnicas de varrimento e difração, reduz-se a deflexão mecânica máxima necessária do atuador MEMS, resultando numa estrutura mecânica mais robusta. Para otimizar ainda mais o processo para produção em massa, litografia de nano-impressão foi implementada para replicar as estruturas assimétricas, diminuindo 40 vezes o tempo necessário e 82 vezes os custos gerais da litografia quando comparada com o processo normalizado. As propriedades mecânicas e ópticas do dispositivo foram obtidas experimentalmente. Estes mostram uma configuração ressonante mais não-ressonante, com um ângulo horizontal de mais de 60° à frequência natural de 1240 Hz, explorando o fator-Q de 24, e cinco FoVs verticais (a 10 Hz) de 2,6° cada. A uniformidade e a abertura angular do padrão difratado apresentaram resultados dentro dos esperados, acima de 30% e dentro de 2,6°±0,15°, respectivamente, para todas as condições angulares do laser incidente, dado o movimento torcional do espelho.