CN109085558A - 相控阵激光雷达及其控制方法 - Google Patents

相控阵激光雷达及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵激光雷达及其控制方法，相控阵激光雷达包括激光发射装置、起偏器及液晶相控阵。通过激光发射装置向起偏器发射激光光束，再通过起偏器将激光光束过滤成偏振光，使得进入相控阵中的光线为线偏振光，从而保证激光光束在液晶相控阵作用下能够发生偏折现象。同时，该偏振光通过液晶相控阵进行偏折并向被测物投射，从而使得该相控阵激光雷达完成对被测物的扫描。由于液晶相控阵具有成熟的且大规模制造工艺和较低的电压要求，因此，该相控阵激光雷达具有使用寿命长且功耗低的优点。同时，该液晶相控阵中的液晶像素之间的间距小，因此，液晶相控阵能够充分利用偏振光的能量，有利于提高该相控阵激光雷达的能量利用率。

Description

相控阵激光雷达及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种相控阵激光雷达及其控制方法。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的系统，广泛应用于激光探测领域。为了适应于二维和/或三维探测，激光雷达发射出的激光光束需要旋转。通常采用光学相控阵元件来控制激光光束波前相位，从而达到对发射光束方向的控制。传统基于光学相控阵进行光束方向控制的方法有三种：第一种利用电光晶体制造光学相控阵，通过双折射晶体在不同强度电场下折射率不同控制入射光相位；第二种是利用声光效应制造光学相控阵，利用超声波在晶体中通过造成的晶体局部折射率周期性变化形成可控的布拉格衍射，使其一级衍射光角度可控；第三种是利用热光效应制成的光学相控阵。然而，第一种控制方法使用寿命短且功耗较大；第二种控制方法不利于集成化生产，成本较高；第三种控制方法功耗大且能量利用率低。
发明内容
基于此，有必要提供一种具有使用寿命长、功耗低且能量利用率高的相控阵激光雷达及其控制方法。
其技术方案如下：
一种相控阵激光雷达，包括：激光发射装置，所述激光发射装置用于发射激光光束；起偏器，所述起偏器用于将所述激光光束过滤成偏振光；液晶相控阵，所述液晶相控阵与所述激光发射装置分别位于所述起偏器两侧，所述液晶相控阵用于将所述偏振光偏折处理。
在其中一个实施例中，相控阵激光雷达还包括扩束组件与第一透镜，所述扩束组件用于将所述偏振光进行扩束处理；所述第一透镜用于将经所述扩束组件处理后的偏振光准直处理，并将准直后的偏振光投射在所述液晶相控阵上。
在其中一个实施例中，所述扩束组件包括第二透镜与反射镜，所述第二透镜用于将所述偏振光汇聚在所述反射镜上，所述反射镜用于将经过所述第二透镜处理后的偏振光反射至所述第一透镜上。
在其中一个实施例中，所述反射镜包括反射位，所述反射位用于所述偏振光发生反射，所述反射位与所述反射镜的中心隔开设置，且所述反射位相对于所述反射镜的中心远离所述起偏器设置。
在其中一个实施例中，所述液晶相控阵用于将准直后的偏振光偏折处理，并将偏折后的偏振光投射在所述第一透镜上，所述第一透镜用于将经过所述液晶相控阵处理的偏振光汇聚处理。
在其中一个实施例中，所述相控阵激光雷达还包括第三透镜，所述第三透镜用于将经过所述第一透镜汇聚的偏振光准直处理。
在其中一个实施例中，所述液晶相控阵包括依次贴合的第一基板、第一取向膜、液晶层、第二取向膜及第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间用于形成电势差。
在其中一个实施例中，所述第二基板分割为多个基板单元，所述基板单元用于与所述第一基板形成独立电势差。
一种相控阵激光雷达的控制方法，包括以下步骤：将激光光束过滤成偏振光，并将所述偏振光投射在所述液晶相控阵上；通过所述液晶相控阵将所述偏振光偏折处理，并使得所述偏振光向被测物出射；接收被测物反射的所述偏振光，并对所述偏振光进行分析处理。
在其中一个实施例中，将激光光束过滤成偏振光，并将所述偏振光投射在所述液晶相控阵上的步骤包括：所述偏振光以预设角度投射在所述液晶相控阵上。
(1)由于液晶相控阵具有成熟的且大规模制造工艺和较低的电压要求，因此，该相控阵激光雷达具有使用寿命长且功耗低的优点；
(2)该液晶相控阵中的液晶像素之间的间距小，因此，液晶相控阵能够充分利用偏振光的能量，有利于提高该相控阵激光雷达的能量利用率；
(3)液晶相控阵体积小易于集成，因此，基于液晶相控阵的相控阵激光雷达的制造成本较低；
(4)反射镜以反射镜的边缘将偏振光进行反射，避免反射镜多余的部分对反射后的偏振光进行干涉，使得反射后的偏振光充分投射在液晶相控阵上，有利于提高相控阵激光雷达的扫描范围。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的相控阵激光雷达结构示意图；
图2为本发明另一实施例所述的相控阵激光雷达结构示意图；
图3为本发明一实施例所述的第二透镜与反射镜配合示意图；
图4为本发明一实施例所述的反射镜、第一透镜及液晶相控阵配合示意图；
图5为本发明一实施例所述的液晶相控阵结构示意图；
图6为本发明一实施例所述的液晶相控阵工作原理示意图。
附图标记说明：
100、相控阵激光雷达，110、激光发射装置，111、激光光束，120、起偏器，130、液晶相控阵，131、相控阵面，132、第一基板，133、第二基板，1331、基板单元，134、第一取向膜，135、液晶层，136、第二取向膜，140、扩束组件，141、第二透镜，142、反射镜，1421、反射位，1422、反射镜的中心，150、第一透镜，160、第三透镜，200、被测物。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
请参考图1，在一个实施例中，一种相控阵激光雷达100包括：激光发射装置110、起偏器120、液晶相控阵130及接收装置(未示出)。激光发射装置110用于发射激光光束111。起偏器120用于将激光光束111过滤成偏振光。液晶相控阵130与激光发射装置110分别位于起偏器120两侧，液晶相控阵130用于将偏振光偏折处理。
上述的相控阵激光雷达100，通过激光发射装置110向起偏器120发射激光光束111，再通过起偏器120将激光光束111过滤成偏振光，如此，使得进入液晶相控阵130中的光线为线偏振光，从而保证了激光光束111在液晶相控阵130作用下能够正常发生偏折现象。同时，该偏振光通过液晶相控阵130进行偏折并向被测物200投射，从而使得该相控阵激光雷达100完成了对被测物200的扫描。由于液晶相控阵130具有成熟且大规模的制造工艺和较低的电压要求，因此，该相控阵激光雷达100具有使用寿命长且功耗低的优点。同时，该液晶相控阵130中的液晶像素之间的间距小，因此，液晶相控阵130能够充分利用偏振光的能量，有利于提高该相控阵激光雷达100的能量利用率。此外，液晶相控阵130体积小、易于集成，因此，基于液晶相控阵130的相控阵激光雷达100的制造成本较低。其中，接收装置(未示出)包括探测器与处理器。探测器用于接收由被测物200所反射的偏振光，并将光信号过滤成电信号；而处理器为对该电信号进行分析，从而获得被测物200的位置信息的设备。本实施例的接收装置(未示出)可位于液晶相控阵130的一侧，此时，该接收装置(未示出)能够直接接收从被测物200上反射的偏振光；或者本实施例的接收装置(未示出)可位于起偏器120的一侧，此时，从被测物200反射的偏振光会沿着相反的光路进行投射，即该偏振光从液晶相控阵130反射至起偏器120中，再从起偏器120中进入接收装置(未示出)中。其中液晶像素为在液晶相控阵130中成列排布的液晶分子单元，为了便于理解，以图6为例，液晶像素为图6中成列排布的液晶分子。
可选地，起偏器120为偏振片或者尼科尔棱镜。
进一步地，请参考图2和图4，相控阵激光雷达100还包括扩束组件140与第一透镜150。扩束组件140用于将偏振光进行扩束处理。第一透镜150用于将经过扩束组件140处理后的偏振光准直处理，并将准直后的偏振光投射在液晶相控阵130上如此，通过扩束组件140将起偏器120发出的偏振光的出射范围增大，使得该偏振光在液晶相控阵130的相控阵面131上的投射面积增大，从而使得液晶相控阵130对该偏振光进行有效偏折处理，进而有利于提高相控阵激光雷达100的扫描精度。
更进一步地，扩束组件140包括第二透镜141与反射镜142。第二透镜141用于将偏振光汇聚在反射镜142上。反射镜142用于将经过第二透镜141处理后的偏振光反射至第一透镜150上。由此可知，当起偏器120向第二透镜141投射偏振光时，第二透镜141将该偏振光以汇聚方式投射在反射镜142上，再通过反射镜142将该偏振光以反射方式投射在第一透镜150上。由于偏振光是以汇聚方式投射在反射镜142上，因此，该偏振光在反射时则呈发散型。如此，使得该偏振光得到有效扩束；接着通过第一透镜150使得该偏振光以准直方式投射在液晶相控阵130上。因此，本实施例通过第二透镜141、反射镜142及第一透镜150相互配合，使得偏振光有效投射在液晶相控阵130上，从而有利于提高相控阵激光雷达100扫描效果。
在一个具体实施例中，请参考图3，反射镜142包括反射位1421。反射位1421用于偏振光发生反射，反射位1421与反射镜的中心1422隔开设置，且反射位1421相对于反射镜的中心1422远离起偏器120设置。由此可知，本实施例的反射镜142以反射镜142的边缘将偏振光进行反射，避免反射镜142多余的部分对反射后的偏振光进行干涉，如此，使得反射后的偏振光充分投射在液晶相控阵130上，有利于提高相控阵激光雷达100的扫描范围。
在一个实施例中，液晶相控阵130用于将准直后的偏振光偏折处理，并将偏折后的偏振光投射在第一透镜150上。第一透镜150用于将经过液晶相控阵130处理的偏振光汇聚处理。由此可知，第一透镜150将扩束后的偏振光以准直方式投射在液晶相控阵130上，通过液晶相控阵130使得入射的偏振光发生偏折，并将偏折后的偏振光又出射回至第一透镜150上，通过第一透镜150使得偏振光发生汇聚。如此，本实施例通过该第一透镜150使得偏振光实现准直和汇聚两种方式，使得相控阵激光雷达100结构更加紧凑，有利于提高该相控阵激光雷达100的扫描精度。其中，第一透镜150可为一个透镜片，通过该透镜片使得反射镜142反射出的偏振光发生准直出射，同时也使得液晶相控阵130偏折后的偏折光发生汇聚出射；或者第一透镜150为两个以上的透镜片组合成的透镜组，通过不同的透镜片分别对反射镜142反射出的偏振光和液晶相控阵130偏折后的偏折光进行处理。
进一步地，相控阵激光雷达100还包括第三透镜160。第三透镜160用于将经过第一透镜150汇聚的偏振光准直处理。如此，使得偏折后的偏振光汇聚投射在被测物200上，从而避免偏振光因过于扩散而导致偏振光快速衰减，这样，有利于偏振光能够从液晶相控阵130上稳定投射在被测物200上。
在一个实施例中，请参考图5，液晶相控阵130包括依次贴合的第一基板132、第一取向膜134、液晶层135、第二取向膜136及第二基板133。第一基板132与第二基板133之间用于形成电势差。由此可知，当相控阵激光雷达100工作时，第一基板132与第二基板133之间形成电势差。在电场的作用下，液晶层135中的液晶分子会发生相应的偏转，具体可参考图6。当电势差为零时，液晶分子通常会沿着相阵面方向排列，具体分布见图6(a)；当第一基板132与第二基板133之间的电势差增加时，液晶分子会开始偏转，具体分布见图6(b)和图6(c)。由于这种液晶分子分布变化会导致液晶层135的折射率发生变化，因此，投射到液晶相控阵130的偏振光会以不同的折射角从液晶层135上进行出射，从而使得液晶相控阵130能够对偏振光进行偏折。从相位延迟角度上解释，根据相位差公式(1)可知：
Δn＝ne-no (2)
Δφ-加电势差与不加电势差之间偏振光的相位差；ne-不加电势差时，液晶层135的折射率；no-加电势差时，液晶层135的折射率；t-液晶层135的厚度；Δn-加电势差液晶层135折射率与不加电势差液晶层135折射率之差。随着所加入的电势差发生变化，由于液晶层135厚度t不变，因此Δn会随之发生变化，从而使得Δφ也发生变化。如此，当第一基板132与第二基板133之间通入不同的电势差时，偏振光在液晶相控阵130上发生相应的相位延迟，从而使得偏振光从液晶相控阵130上出射时会有以特定角度发生偏折。
具体在本实施例中，为了提高液晶相控阵130的偏折性能，在第二基板133上分割成多个基板单元1331，每个基板单元1331独立通入电压形成独立电动势，使得每个基板单元1331分别与第一基板132形成独立电动势差。
在一个实施例中，一种相控阵激光雷达100控制方法，包括以下步骤：将激光光束111过滤成偏振光，并将偏振光投射在液晶相控阵130上；通过液晶相控阵130将偏振光偏折处理，并使得偏振光向被测物200出射；接收被测物200反射的偏振光，并对偏振光进行分析处理。
上述的相控阵激光雷达100控制方法，将激光光束111过滤成偏振光，使得该激光光束111在液晶相控阵130上能够发生偏折；再将该偏振光投射在液晶相控阵130上，使得该偏振光能够发生偏折，并且以不同角度投射在被测物200上，从而顺利完成对被测物200的扫描。由于本相控阵激光雷达100控制方法采用液晶相控阵130，因此，使得相控阵激光雷达100具有使用寿命长且功耗低的优点。同时，由于本方法所采用的液晶相控阵130中，液晶像素之间的间距小，因此，液晶相控阵130能够充分利用偏振光的能量，有利于提高该相控阵激光雷达100的能量利用率。
进一步地，将激光光束111过滤成偏振光，并将偏振光投射在液晶相控阵130上的步骤包括：偏振光以预设角度投射在液晶相控阵130上。如此，有效避免当液晶相控阵130为反射式时，偏振光因垂直相控阵面131而导致偏振光沿着原路返回，其中，预设角度θ为偏振光的光线与相控阵面131的法线N所成夹角。具体在本实施例中，预设角度θ不超过5°。
在一个实施例中，将激光光束111过滤成偏振光，并将偏振光投射在液晶相控阵130上的步骤包括：按照液晶层135中液晶像素将第二基板133分割成对应的基板单元1331，并对该基板单元1331加载预设电动势。如此，使得液晶相控阵130获得不同折射率梯度，从而使得偏振光波前各点产生不同相位延迟，进而使得相控阵激光雷达100对被测物200进行稳定扫描。具体在本实施例中，为了得出液晶像素偏转角度与对应基板单元1331上预设电动势之间的关系，本实施例以第x个液晶像素沿x方向偏转角度θ为例，首先通过公式(3)得出第x个液晶像素需要的相位延迟：
其中，φ-第x个液晶像素需要的相位延迟；D-液晶相控阵130尺寸；N-液晶相控阵130x向像素数。接着对该相位延迟进行整波长取模，设波长为λ。如此，第x个液晶像素需要的相位延迟绝对值为：
φm＝φmodλ (4)
φm-第x个液晶像素需要的相位延迟取模。对取模后的相位延迟进行量化，量化单位是液晶像素偏转量，通常可以将对应基板单元1331上预设电动势量化为256个量级，如果设Δ为液晶最小量化基板单元1331，则第x个液晶像素对应相位延迟量化值为：
其中，q(x)-第x个液晶像素对应相位延迟量化值。最后根据电压关系表，得到电压与相位延迟量化值之间的关系，从而得到对应基板单元1331上具体电动势值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种相控阵激光雷达，其特征在于，包括：
激光发射装置，所述激光发射装置用于发射激光光束；
起偏器，所述起偏器用于将所述激光光束过滤成偏振光；
液晶相控阵，所述液晶相控阵与所述激光发射装置分别位于所述起偏器两侧，所述液晶相控阵用于将所述偏振光偏折处理。
2.根据权利要求1所述的相控阵激光雷达，其特征在于，还包括扩束组件与第一透镜，所述扩束组件用于将所述偏振光进行扩束处理，所述第一透镜用于将经过所述扩束组件处理后的偏振光准直处理，并将准直后的偏振光投射在所述液晶相控阵上。
3.根据权利要求2所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述扩束组件包括第二透镜与反射镜，所述第二透镜用于将所述偏振光汇聚在所述反射镜上，所述反射镜用于将经过所述第二透镜处理后的偏振光反射至所述第一透镜上。
4.根据权利要求3所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述反射镜上设有反射位，所述反射位用于所述偏振光发生反射，所述反射位与所述反射镜的中心隔开设置，且所述反射位相对于所述反射镜的中心远离所述起偏器设置。
5.根据权利要求2所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述液晶相控阵用于将准直后的偏振光偏折处理，并将偏折后的偏振光投射在所述第一透镜上，所述第一透镜用于将经过所述液晶相控阵处理的偏振光汇聚处理。
6.根据权利要求5所述的相控阵激光雷达，其特征在于，还包括第三透镜，所述第三透镜用于将经过所述第一透镜汇聚的偏振光准直处理。
7.根据权利要求1-6任一项所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述液晶相控阵包括依次贴合的第一基板、第一取向膜、液晶层、第二取向膜及第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间用于形成电势差。
8.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述第二基板分割为多个基板单元，所述基板单元用于与所述第一基板形成独立电势差。
9.一种如权利要求1至8任意一项所述的相控阵激光雷达的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光光束过滤成偏振光，并将所述偏振光投射在所述液晶相控阵上；
通过所述液晶相控阵将所述偏振光偏折处理，并使得所述偏振光向被测物出射；
接收被测物反射的所述偏振光，并对所述偏振光进行分析处理。
10.根据权利要求9所述的相控阵激光雷达的控制方法，其特征在于，将激光光束过滤成偏振光，并将所述偏振光投射在所述液晶相控阵上的步骤包括：
所述偏振光以预设角度投射在所述液晶相控阵上。
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