CN109116327B - 光束控制装置、驱动其的方法及包括其的LiDAR系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种光束控制装置、一种驱动该光束控制装置的方法以及一种包括该光束控制装置的光探测和测距(LiDAR)系统。该光束控制装置包括：相位调制器件，其被配置为调制入射光的相位并至少发射第一发射光和第二发射光；以及光束反射器件，其被配置为将第一发射光和第二发射光中的至少一个反射到物体。相位调制器件包括配置为独立地调制入射光的相位的多个通道，并且当第一相位值和第二相位值中的一个被应用于所述多个通道的每个时，二元相位分布被形成。
Description
技术领域
与示例性实施方式一致的方法和装置涉及光束控制装置、驱动该光束控制装置的方法以及包括该光束控制装置的光探测和测距(LiDAR)系统。
背景技术
光学相控阵(OPA)是可以在用于通过扫描激光束获得周围环境的信息的光探测和测距(LiDAR)系统中使用的光调制器方法。OPA可以通过在相邻通道之间引起预定的相位差而使发射自多个通道的光转向预定的角度。
为了有效地使用OPA，每个通道应具有范围从0π到2π的相位调制。否则，光束控制的效率会降低并且信噪比(SNR)会减小，从而降低整个LiDAR系统的效率。
发明内容
一个或更多个示例性实施方式可以提供光束控制装置、驱动该光束控制装置的方法、以及包括该光束控制装置的LiDAR系统。
额外的示例性方面将在下面的描述中被部分地阐述且部分将自该描述明显，或者可以通过所提出的示例性实施方式的实践被了解。
根据一示例性实施方式的一方面，一种光束控制装置包括：相位调制器件，其被配置为调制入射光的相位并至少发射第一发射光和第二发射光；以及光束反射器件，其被配置为将第一发射光和第二发射光中的至少一个反射到物体，其中相位调制器件包括配置为独立地调制入射到其上的光的相位的多个通道，并且当第一相位值和第二相位值/>中的一个被应用于所述多个通道的每个时，二元相位分布被形成。
第一发射光可以从相位调制器件发射到物体，第二发射光可以被光束反射器件反射到物体。
通过调节第二发射光的反射角，第一发射光的扫描区域和第二发射光的扫描区域可以被控制为相同或者可以被控制为彼此相邻地安置。
相位调制器件可以包括：相位调制器，其包括多个通道；信号输入单元，其被配置为将用于相位调制的输入信号施加到所述多个通道的每个；二元设定器，其被配置为通过依据所述多个通道的数量准周期性地布置第一相位值和第二相位值/>并且按照所述多个通道布置的次序分配第一相位值/>和第二相位值/>而设定二元相位分布；以及控制器，其被配置为根据二元相位分布控制信号输入单元。
二元设定器还可以被配置为重复地执行为所述多个通道中的一个或更多个第一相邻通道设定第一相位值并且为所述多个通道中的一个或更多个第二相邻通道设定第二相位值/>的过程，其中相位调制器件的光学性能根据第一相位值/>和第二相位值/>的布置模式在其中重复的周期的平均值是可调节的。
二元设定器可以使相位调制器能够根据下式使入射光转向角度θ：
其中λ是入射光的波长，Tk是第一相位值和第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是周期的平均值。
二元设定器还可以被配置为使用从0π到2π的整个相位值范围设定全相位分布以实现期望的光学性能并且将全相位分布的每个相位值校正为第一相位值和第二相位值中的一个。
二元设定器还可以被配置为将落在设定范围内的相位值校正为第一相位值并且将该设定范围外的相位值校正为第二相位值/>第一相位值/>与第二相位值/>之间的差可以为π，并且该设定范围的宽度可以为π。
根据另一示例性实施方式的一方面，一种驱动包括相位调制器件和光束反射器件的光束控制装置的方法包括：选择第一相位值和第二相位值/>用作用于多个通道的相位值；通过为相位调制器件的多个通道准周期性地设定第一相位值/>和第二相位值/>而设定二元相位分布；通过根据所设定的二元相位分布驱动相位调制器件而发射第一发射光和第二发射光；以及将第一发射光和第二发射光中的至少一个反射到物体。
第一发射光可以从相位调制器件发射到物体，第二发射光可以被光束反射器件反射到物体。
光束反射器件还可以被配置为通过调节第二发射光的反射角而导致第一发射光的扫描区域和第二发射光的扫描区域相同。第一发射光和第二发射光可以通过彼此重叠而扫描物体，或者交替地扫描物体。
光束反射器件还可以被配置为通过调节第二发射光的反射角而导致第一发射光的扫描区域和第二发射光的扫描区域彼此相邻地安置。
二元相位分布的设定可以包括重复地执行为一个或更多个第一相邻通道设定第一相位值并且为一个或更多个第二相邻通道设定第二相位值/>的过程，其中相位调制器件的光学性能根据第一相位值/>和第二相位值/>的布置模式在其中重复的周期的平均值而被调节。
二元相位分布的设定可以包括使相位调制器能够根据下式使入射光转向角度θ：
其中λ是入射光的波长，Tk是第一相位值和第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是周期的平均值。
二元相位分布的设定可以包括使用从0π到2π的整个相位值范围设定全相位分布以实现期望的光学性能、以及将全相位分布的相位值校正为第一相位值和第二相位值中的一个。
设定范围内的相位值可以被校正为第一相位值并且该设定范围外的相位值可以被校正为第二相位值/>第一相位值/>与第二相位值/>之间的差可以为π，并且该设定范围的宽度可以为π。
根据另一示例性实施方式的一方面，一种光探测和测距(LiDAR)系统包括：光源；光束控制装置，其被配置为使来自光源的光转向到物体并且包括配置为调制入射光的相位并至少发射第一发射光和第二发射光的相位调制器件和配置为将第一发射光和第二发射光中的至少一个反射到物体的光束反射器件；以及传感器单元，其被配置为接收从物体反射的光，其中相位调制器件包括配置为独立地调制入射到其上的光的相位的多个通道，并且当第一相位值和第二相位值/>中的一个被应用于所述多个通道的每个时，二元相位分布被形成。
附图说明
这些和/或另外的示例性方面和优点将由以下结合附图的对示例性实施方式的描述变得明显且更易理解，在附图中：
图1是根据一示例性实施方式的光束控制装置的视图；
图2是图1的相位调制器件的放大图；
图3是示出适用于图2的相位调制器件的相位调制器的构造的剖视图；
图4是示出适用于图2的相位调制器件的另一相位调制器的构造的剖视图；
图5是示出适用于图2的相位调制器件的另一相位调制器的构造的透视图；
图6是根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件的方法的流程图；
图7A是显示现有光学相控阵(OPA)方法的全相位分布的曲线图；
图7B是显示根据图7A的全相位分布而转向的发射光的曲线图；
图8A是显示根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件的方法的二元相位分布的曲线图；
图8B是显示根据图8A的二元相位分布而转向的第一发射光和第二发射光的曲线图；
图9是用于说明在图6的方法中设定二元相位分布的详细操作的流程图；
图10是示出全相位分布按照根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件的方法被校正为二元相位分布的一示例的曲线图；
图11是显示根据现有OPA方法产生的发射光被转向以扫描物体的状态的曲线图；
图12A至12C是显示第一发射光和第二发射光通过图1的光束控制装置被转向以扫描物体的状态的曲线图；以及
图13是根据另一示例性实施方式的光探测和测距(LiDAR)系统的视图。
具体实施方式
现在将详细参照其示例在附图中示出的实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且为了清楚和方便，元件的尺寸可能被夸大。在这方面，本示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐明的描述。
将理解，当一部件被称为“在”另一部件“上”时，所述部件可以直接在所述另一部件上，或者在其上可以存在居间部件。
当在此使用时，单数形式“一”和“该”旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另行指示。还将理解，在此使用的术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征或部件的存在，但不排除一个或更多个另外的特征或部件的存在或添加。
术语“该”和类似指示词在描述本公开的上下文中的使用将被解释为涵盖单数和复数两者。
此外，这里描述的所有方法的步骤可以以任何适当的次序被执行，除非在此另行指示或者另与上下文明显矛盾。本公开不限于所描述的步骤的次序。这里提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地描述本公开，并且不对本公开的范围进行限制，除非另外声明。
诸如“……中的至少一个”的表述当在一列元素之后时，修饰整列元素，不修饰该列中的个别元素。
图1是根据一示例性实施方式的光束控制装置1000的视图。图2是图1的相位调制器件500的放大图。
参照图1，光束控制装置1000可以包括相位调制器件500和光束反射器件700。相位调制器件500可以通过改变从光源600发射的入射光L的相位而使发射光例如第一发射光L1和第二发射光L2在不同的方向上转向。第一发射光L1可以直接朝物体OBJ发射，第二发射光L2可以在一方向上发射使得它被光束反射器件700朝物体OBJ反射。
光源600可以发射具有适于分析物体OBJ的位置和形状的波长带的光。光源600的示例可以包括但不限于用于发射具有红外波长的光的激光二极管(LD)、发光二极管(LED)和超辐射发光二极管(SLD)。光源600可以发射位于不同波长带的光。光源600可以发射脉冲光或连续光。
相位调制器件500通过调制从光源600发射的入射光L的相位使发射光例如第一发射光L1和第二发射光L2转向。相位调制器件500可以通过使用在发射自相邻通道的光之间引起预定相位差的如下所述的二元相控阵(BPA)方法而使发射光例如第一发射光L1和第二发射光L2)转向。这与发射光束基于输出自通道的光之间的干涉而转向预定角度的光学相控阵(OPA)方法形成对比。
参照图2，相位调制器件500可以包括：相位调制器100，其包括配置为调制入射光L的相位的多个通道C1至CN；信号输入单元200，其被配置为将用于相位调制的输入信号施加到多个通道C1至CN的每个；二元设定器400，其被配置为通过使用两个相位值设定二元相位分布；以及控制器300，其被配置为根据二元相位分布控制信号输入单元200。
相位调制器100包括配置为独立地调制入射在其上的光的相位的多个通道C1至CN。相位调制器100可以包括其光学性质根据所施加的信号而变化的有源层以及与有源层相邻安置的多个纳米结构。所述多个纳米结构可以形成多个通道C1至CN。通道C1至CN可以分别对应于一个或更多个纳米结构。或者，相位调制器100可以包括其光学性质根据所施加的信号而变化的多个波导。所述多个波导可以形成多个通道C1至CN。通道C1至CN可以分别对应于一个或更多个波导。下面将参照图2至4详细说明相位调制器100的更详细的结构。
多个通道C1至CN的每个根据施加的信号调制入射光L的相位。来自信号输入单元200的输入信号根据相位调制器100的详细构造被确定。例如，输入信号的类型可以基于有源层的材料和相位调制器100的纳米结构被确定。当相位调制器100包括其光学性质根据电信号而变化的材料时，信号输入单元200可以被配置为将电信号例如电压施加到相位调制器100。
二元设定器400设定将由通道C1至CN调制的相位，以便实现相位调制器100的期望的性能。二元设定器400可以通过经由使用第一相位值和第二相位值/>调节用于将两个相位值即第一相位值/>和第二相位值/>分配给通道C1至CN的每个的规则而设定二元相位分布以实现期望的光学性能。例如，依据多个通道C1至CN的数量准周期性地布置第一相位值和第二相位值/>并且按照多个通道C1至CN布置的次序分配第一相位值/>和第二相位值/>的方法可以被使用。当第一相位值/>和第二相位值/>被准周期性地布置时，意思是假设第一相位值/>和第二相位值/>以预定的周期被重复，两个相位值/>和/>被布置为使得第一周期、第二周期、……和第k周期的全部是相同的、一些周期相同且其它周期不同、或者所有周期不同。
在本示例性实施方式中，因为驱动根据仅使用第一相位值和第二相位值/>的二元相位分布被执行，所以可以简化相位调制器100和信号输入单元200的构造。第一相位值/>和第二相位值/>可以被确定为通过通道C1至CN容易获得的值，例如小于相位极限值的值。
当如上仅使用第一相位值和第二相位值/>时指示期望的光学性能的强度可以小于当通过相位调制器100的通道C1至CN获得的相位值设定为范围从0π到2π的各种值时指示期望的光学性能的强度。然而，当通道实际上被驱动时，由于相位限制，即使当输入信号增大时，相位调制值也不会进一步增大，因而会不得不执行校正通道的期望相位的处理。在本实施方式中，因为可通过通道C1至CN获得的相位值当中的两个相位值被使用并且光学性能可以通过使用用于所述两个相位值的布置规则被调节，所以可以执行简单的驱动而不校正相位。下面将参照图6至10说明设定二元相位分布的详细方法。
控制器300可以根据由二元设定器400设定的二元相位分布控制信号输入单元200独立地控制通道C1至CN。
图3和4是示出适用于相位调制器件500的相位调制器101和102的构造的视图。在图3和4中，相位调制器101和102包括每个具有超颖表面(meta-surface)的纳米结构。
参照图3，相位调制器101包括有源层20、其中排列导电纳米结构52的纳米阵列层50、以及用于将信号施加到有源层20的电极层10。有源层20可以由其光学性质根据施加的信号而变化的材料形成。有源层20可以由其介电常数根据例如电场的施加而变化的材料形成。虽然在图3中仅示出了用于形成单个通道的单个纳米结构52，但是纳米阵列层50包括多个纳米结构52。绝缘层30可以设置在纳米阵列层50与有源层20之间。
纳米结构52可以具有亚波长尺寸。这里使用的术语“亚波长尺寸”是指小于相位调制器101的操作波长即待调制的入射光Li的波长的尺寸。纳米结构52的尺寸中的至少一个，例如厚度、水平长度和垂直长度，可以是亚波长尺寸。
纳米结构52中包括的导电材料可以是其中可以发生表面等离子体激元激发的具有高导电性的金属材料。例如，导电材料可以是从铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、钛(Ti)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)和金(Au)中选择的至少一种，或包括上述材料中的任何一种的合金。或者，导电材料可以是具有高导电性的二维(2D)材料，诸如石墨烯或导电氧化物。
有源层20可以由其光学性质根据外部信号的施加而变化的材料形成。外部信号可以是电信号。有源层20可以由诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)或镓锌氧化物(GZO)的透明导电氧化物(TCO)形成。或者，有源层20可以由诸如TiN、ZrN、HfN或TaN的过渡金属氮化物形成。或者，有源层20可以由其有效介电常数在电信号施加到其时改变的电光材料形成，例如LiNbO3、LiTaO3、钾钽铌酸盐(KTN)或铅锆钛酸盐(PZT)，或者由具有电光特性的各种聚合物材料中的任何一种形成。
电极层10可以由各种导电材料中的任何一种形成。电极层10可以包括金属材料，例如从Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Os、Ir和Au中选择的至少一种。当电极层10由金属材料形成时，电极层10不仅可以施加电压，而且可以反射光。电极层10可以由诸如ITO、IZO、AZO或GZO的TCO形成。
纳米结构52可以调制由于在金属材料与电介质材料之间的边界处发生的表面等离子体激元共振而具有特定波长的光的相位，并且输出相位值与纳米结构52的特定形状相关。此外，输出相位值可以通过经由电压在纳米结构52与电极层10之间的施加改变有源层20的光学性质而被调节。
参照图4，相位调制器102包括有源层22、其中排列电介质纳米结构62的纳米阵列层60、以及用于将信号施加到有源层22的电极层10。有源层22可以由其光学性质根据信号的施加而变化的材料形成，例如由其介电常数根据施加到其的电场而变化的材料形成。虽然在图4中仅示出了用于形成单个通道的单个纳米结构62，但是纳米阵列层60包括多个纳米结构62。导电层40可以设置在纳米阵列层60与有源层22之间。
有源层22可以由电光材料形成，该电光材料的有效介电常数通过电信号的施加而改变从而改变有源层22的该材料的折射率。因此，有源层22可以由诸如LiNbO3、LiTaO3、KTN或PZT的电光材料，或者由具有电光特性的各种聚合物材料中的任何一种形成。
电极层10可以由各种导电材料中的任何一种形成。电极层10可以包括金属材料，例如从Cu、Al、Ni、Fe、Co、Zn、Ti、Ru、Rh、Pd、Pt、Ag、Os、Ir和Au中选择的至少一种。当电极层10由金属材料形成时，电极层10不仅可以施加电压，而且可以反射光。电极层10可以由诸如ITO、IZO、AZO或GZO的TCO形成。
纳米结构62可以具有亚波长尺寸。纳米结构62可以由电介质材料形成，并且可以调制通过利用归因于位移电流的Mie共振而具有特定波长的光的相位。为此，纳米结构62可以由具有比有源层22的折射率更大的折射率的电介质材料形成，并且可以由具有比有源层22的折射率根据施加的电压变化的范围的最大值更大的折射率的材料形成。由纳米结构62输出的相位值与纳米结构62的特定形状相关。此外，纳米结构62的输出相位值可以通过经由电压在导电层40与电极层10之间的施加改变有源层22的光学特性而被调节。
如图5中所示，通过利用硅光子学制造的相位调制器110可以在相位调制器件500中使用。
参照图5，相位调制器110可以包括提供在基板111上的多个波导121、多个分束器130和多个调制单元120。光在其中行进的一个波导121可以通过分束器130被分成多个波导121。在图5中，外部光入射到其上的一个波导121被七个分束器130分成八个波导121。调制单元120被提供在由分束器130分开的波导121上，并且可以每个在施加电信号时独立地改变穿过波导121的激光束的相位。
图6是根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件500的方法的流程图。
参照图6，在操作S100中，两个相位值被选择，即第一相位值和第二相位值/>以用作相位调制器100中提供的多个通道C1至CN的相位值。第一相位值/>和第二相位值可以通过相位调制器100中提供的通道C1至CN的每个获得，并且可以范围从0π至2π。考虑到存在相位限制，第一相位值/>和第二相位值/>可以被选择为小于通道C1至CN的每个的相位极限值。第一相位值/>与第二相位值/>之间的差/>可以是π。例如，/>和可以被选择为所述两个相位值。详细地，所述两个相位值可以是0和π。
接着，在操作S200中，为了设定二元相位分布，所选择的第一相位值和第二相位值/>可以依据相位调制器100的通道C1至CN的数量准周期性地布置，并且可以按照多个通道C1至CN布置的次序被分配。当第一相位值/>和第二相位值/>准周期性地布置时，意思是第一相位值/>和第二相位值/>在其中重复的周期不完全相同。接着，在操作S300中，相位调制器100根据设定的二元相位分布被驱动。
图7A是显示现有OPA方法中的全相位分布的曲线图。图7B是显示根据图7A的全相位分布转向的发射光L'的曲线图。
参照图7A，在OPA方法中，预定的全相位分布通过在相位调制器的相邻通道之间引起预定的相位差而形成。由于全相位分布，从相位调制器发射的光L'如图7B中所示地转向预定角度θ。
在这种情况下，转向角θ可以由等式1定义。
其中Δφ是相邻通道之间的相位差，λ是入射光的波长，d是每个通道的宽度。
图8A是显示根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件500的方法中的二元相位分布的曲线图。图8B是显示根据图8A的二元相位分布转向的第一发射光L1和第二发射光L2的曲线图。
参照图8A，通过重复地执行为相位调制器100中提供的多个通道C1至CN当中的一个或更多个相邻通道C1至CN设定第一相位值并且为相位调制器100中提供的多个通道C1至CN当中的一个或更多个挨着的相邻通道C1至CN设定第二相位值/>的过程，二元相位分布通过设定第一相位值/>和第二相位值/>的布置模式在其中重复的周期Tk(k＝1、2、……)而形成。期望的光学性能可以通过利用周期的平均值<Tk>被调节。
第一相位值和第二相位值/>的布置模式在其中重复的周期Tk的每个的值可以是离散值，诸如每个通道的尺寸“d”的整数倍，而周期Tk的平均值<Tk>可以是连续值。因此，因为平均值<Tk>通过根据周期次序不同地调节周期Tk的值而被调节，所以期望的光学性能可以比当周期Tk的值被设定为相同值时被更容易地调节。
如图8B中所示，当二元相位分布应用于相位调制器100中提供的多个通道C1至CN时，第一发射光L1和第二发射光L2可以位于两个位置即+θ和－θ处。第一发射光L1和第二发射光L2的每个的峰值强度值可以小于图7B的发射光L'的峰值强度值。
在使用二元相位分布的BPA方法中，除了以与入射光L入射到相位调制器件500上的角度相同的角度发射的第0级光束L0之外，第+1级光束即转向+θ角度的第一发射光L1以及第－1级光束即转向－θ角度的第二发射光L2可以如图2中所示地存在。第一发射光L1和第二发射光L2可以关于第0级光束L0对称，每个具有自第0级光束的θ转向角。当第一相位值与第二相位值/>之间的差为π时，可以防止第0级光束L0的产生。
当使用二元相位分布时，转向角θ可以由等式2定义。
其中λ是入射光的波长，Tk是第一相位值和第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是周期的平均值。
当转向角θ根据等式2被调节时，因为可为连续值的平均值<Tk>可以通过仅使用第一相位值和第二相位值/>被调节，所以可以实现各种各样的转向角θ。因此，可以容易地执行期望的角度范围的扫描。此外，当使用二元相位分布时通道C1至CN的尺寸和驱动方法分别比当通道C1至CN的每个形成为具有范围从0π到2π的相位变化时C1至CN的尺寸和驱动方法更小和更简单。
图9是用于说明在图6的方法中设定二元相位分布的详细操作的流程图。图10是示出全相位分布按照根据一示例性实施方式的驱动相位调制器件500的方法被校正为二元相位分布的一示例的曲线图。
参照图9，在操作S220中，为了设定二元相位分布，全相位分布可以被设定。全相位分布可以是使用从0π到2π的整个相位值范围以实现期望的光学性能的相位分布。
接着，在操作S250中，全相位分布中包括的相位值的每个被校正为第一相位值和第二相位值/>中的任何一个。例如，当全相位分布中的相位值/>如/>中所示地满足连续的第一范围时，该相位值可以被校正为/>否则相位值/>可以被校正为/>
图10示出全相位分布被校正为二元相位分布的一示例。在该曲线图中，为了将全相位分布校正为二元相位分布，π/2被应用于A，3π/2被应用于B，0被应用于π被应用于就是说，当全相位分布中包括的相位值为/>时，该相位值被校正为π，其它相位值被校正为0。上述规则是示例性的，另外的修改规则可以用于调节周期的平均值<Tk>。
参照回图1，如上所述，相位调制器件500可以通过经由使用利用二元相位分布的BPA方法调制入射光L的相位而使发射光在多个方向上转向。发射的光可以包括自第0级光束L0转向+θ和－θ角度的第一发射光L1和第二发射光L2。
从相位调制器件500发射的第一发射光L1和第二发射光L2中的第一发射光L1可以直接发射到物体OBJ。第二发射光L2可以被光束反射器件700反射到物体OBJ。因此，从相位调制器件500发射的第一发射光L1和第二发射光L2两者可以发射到物体OBJ以执行扫描。在这种情况下，第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域可以如下所述地通过调节第二发射光L2被光束反射器件700反射的角度(被称为反射角)而彼此相同或不同。或者，第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域可以彼此相邻安置。
图11是显示根据现有的OPA方法产生的发射光L'被转向以扫描物体的状态的曲线图。参照图11，发射光L'在预定扫描范围内扫描物体。
图12A至12C是显示第一发射光L1和第二发射光L2被图1的光束控制装置1000转向以扫描物体的状态的曲线图。
图12A示出第一发射光L1和第二发射光L2交替地扫描物体的状态。参照图12A，第一发射光L1和第二发射光L2可以以预定间隔交替地扫描物体，使得第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域通过经由使用光束反射器件700调节第二发射光L2的反射角而相同。因此，当第一发射光L1和第二发射光L2的扫描范围与图11的扫描范围相同时，角分辨率可以相同并且扫描速度可以是图11中的扫描速度的两倍。
图12B示出第一发射光L1和第二发射光L2通过彼此重叠而扫描物体的状态。参照图12B，第一发射光L1和第二发射光L2可以通过彼此重叠而扫描物体，使得第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域通过经由使用光束反射器件700调节第二发射光L2的反射角而相同。因此，当第一发射光L1和第二发射光L2的扫描范围与图12A的扫描范围相同时，物体可以用具有更大功率的光扫描。
图12C示出第一发射光L1和第二发射光L2的扫描区域彼此不同的状态。参照图12C，第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域可以通过经由使用光束反射器件700调节第二发射光L2的反射角而彼此相邻地安置。因此，因为通过对第一发射光L1的第一扫描范围和第二发射光L2的第二扫描范围求和所获得的扫描范围是图12B的扫描范围的两倍，所以可以获得更宽的图像。
图13是根据另一示例性实施方式的光探测和测距(LiDAR)系统2000的视图。
参照图13，LiDAR系统2000可以包括配置为发射光的光源1600、配置为使来自光源1600的入射光L转向到物体OBJ的光束控制装置、以及配置为接收从物体OBJ反射的光的传感器单元1800。
光源1600可以发射具有适于分析物体OBJ的位置和形状的波长带的光。光源1600的示例可以包括但不限于用于发射具有红外波长的光的LD、LED和SLD。此外，光源1600可以发射脉冲光或连续光。
光束控制装置可以包括：相位调制器件1500，其被配置为调制入射光L的相位并在不同的方向上发射光，例如第一发射光L1和第二发射光L2；以及光束反射器件1700，其被配置为将第一发射光L1和第二发射光L2中的至少一个(例如L2)反射到物体OBJ。相位调制器件1500调制从光源1600发射的入射光L的相位，并使发射光即第一发射光L1和第二发射光L2转向。如上所述通过使用BPA方法被驱动以使发射光即第一发射光L1和第二发射光L2转向的相位调制器件1500可以包括：相位调制器，其包括配置为调制入射光L的相位的多个通道；信号输入单元，其被配置为将用于相位调制的输入信号施加到所述多个通道的每个；二元设定器，其被配置为使用两个相位值设定二元相位分布；以及控制器，其被配置为根据二元相位分布控制信号输入单元。以上已经详细描述了相位调制器件1500和驱动相位调制器件1500的方法。
从相位调制器件1500发射的第一发射光L1和第二发射光L2中的第一发射光L1可以直接发射到物体OBJ。第二发射光L2可以被光束反射器件1700反射到物体OBJ。因此，从相位调制器件1500发射的第一发射光L1和第二发射光L2两者可以入射到物体OBJ上以执行扫描。在这种情况下，可以通过经由使用光束反射器件1700调节第二发射光L2的反射角使得第一发射光L1的扫描区域和第二发射光L2的扫描区域彼此相同或彼此相邻。
在光束控制装置扫描物体OBJ的同时由传感器单元1800感测到的光信号可以用于分析物体OBJ的存在、位置和形状。传感器单元1800可以包括用于感测从物体OBJ反射的光的传感器的阵列。传感器单元1800可以包括用于感测具有不同波长的光的传感器的阵列。
LiDAR系统2000还可以包括信号处理器1900。信号处理器1900可以执行预定的计算，例如用于测量由传感器单元1800探测到的光信号的飞行时间(time of flight)的计算，并且可以确定物体OBJ的三维(3D)形状。信号处理器1900可以使用各种计算方法中的任何一种。例如，直接时间测量法涉及通过经由使用定时器测量脉冲光向物体OBJ的投射与从物体OBJ反射的光的到达之间的时间间隔而获得距离。相关法涉及将脉冲光投射到物体OBJ并基于从物体OBJ反射的光的亮度测量距离。相位延迟测量法涉及将诸如正弦波光的连续波光投射到物体OBJ上、探测从物体OBJ反射的光的相位差、以及将该相位差转换成距离。信号处理器1900可以包括其中存储计算所需的程序和其它数据的存储器。
信号处理器1900可以将计算的结果，即关于物体OBJ的形状和位置的信息，发送到另一单元。例如，该信息可以被发送到包括LiDAR系统2000的自动驾驶装置的报警系统或驾驶控制器。
因为LiDAR系统2000可以用作用于实时获得关于物体的3D信息的传感器，所以LiDAR系统2000可以在例如无人驾驶汽车、自主车辆、机器人或无人机的自动驾驶装置中使用。此外，除了自动驾驶装置以外，LiDAR系统2000也可以在黑匣子中使用，以在通过仅使用图像传感器难以识别物体的夜间确定前方和后方的障碍物。
根据以上示例性实施方式，因为仅使用两个相位值的二元相位分布被设定并且相位调制器件根据二元相位分布被驱动，所以可以容易地执行光束控制，不需要增大器件的尺寸，对于具有大的相位变化的使用，可以不需要具有高精度的驱动信号，并且可以通过使用简单的系统克服相位限制。此外，因为从相位调制器件发射并沿不同路径行进的光通过使用光束反射器件而扫描物体，所以可以增大扫描速度或者可以由于宽的扫描范围而获得宽的图像。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中作出形式和细节上的各种各样的改变而不背离如由所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2017年6月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0079215号的优先权，其公开通过引用全文合并于此。
Claims (16)
1.一种光束控制装置，包括：
相位调制器件，其被配置为调制入射光的相位从而至少发射在第一方向上发射的第一发射光和在第二方向上发射的第二发射光；以及
光束反射器件，其被配置为朝物体反射所述第一发射光和所述第二发射光中的至少一个，
其中所述相位调制器件包括：
相位调制器，包括多个通道，其中所述多个通道的每个被配置为独立地调制入射到其上的光的相位，以及其中第一相位值和第二相位值/>中的一个被应用于所述多个通道的每个，从而形成二元相位分布；
信号输入单元，其被配置为将用于相位调制的输入信号施加到所述多个通道的每个；
二元设定器，其被配置为通过布置所述多个通道当中的第一相位值和第二相位值而设定所述二元相位分布；以及
控制器，其被配置为根据所述二元相位分布控制所述信号输入单元，
其中所述二元设定器还被配置为重复地执行为所述多个通道中的一个或更多个第一相邻通道设定所述第一相位值并且为所述多个通道中的一个或更多个第二相邻通道设定所述第二相位值/>的过程，以及
其中所述二元设定器被配置为控制所述相位调制器根据下式使所述第一发射光和所述第二发射光转向角度θ：
其中λ是所述入射光的波长，Tk是所述第一相位值和所述第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是所述周期的平均值。
2.根据权利要求1所述的光束控制装置，其中所述第一发射光从所述相位调制器件发射到所述物体，所述第二发射光被所述光束反射器件反射到所述物体。
3.根据权利要求2所述的光束控制装置，其中所述光束反射器件被配置为控制所述第二发射光的反射角，从而导致所述第一发射光的扫描区域和所述第二发射光的扫描区域彼此相同或者彼此相邻地安置。
4.根据权利要求1所述的光束控制装置，其中所述二元设定器还被配置为使用从0π到2π的整个相位值范围设定全相位分布以实现期望的输出并且将构成所述全相位分布的相位值的每个校正为所述第一相位值和所述第二相位值/>中的一个。
5.根据权利要求4所述的光束控制装置，其中所述二元设定器还被配置为通过将设定范围内的所有相位值校正为所述第一相位值并且将所述设定范围外的所有相位值校正为所述第二相位值/>而将构成所述全相位分布的所述相位值的每个校正为所述第一相位值/>和所述第二相位值/>中的一个。
6.根据权利要求5所述的光束控制装置，其中所述第一相位值与所述第二相位值之间的差为π，并且所述设定范围的宽度为π。
7.一种驱动包括相位调制器件和光束反射器件的光束控制装置的方法，所述方法包括：
选择第一相位值和第二相位值/>作为用于所述相位调制器件的多个通道的相位值；
通过将所述第一相位值和所述第二相位值/>中的一个分配给所述多个通道的每个而在所述相位调制器件中设定二元相位分布；
通过根据设定的二元相位分布驱动所述相位调制器件而发射第一发射光和第二发射光；以及
所述光束反射器件将所述第一发射光和所述第二发射光中的至少一个反射到物体，
其中所述设定二元相位分布包括重复地为所述多个通道中的一个或更多个第一相邻通道设定所述第一相位值并且为所述多个通道中的一个或更多个第二相邻通道设定所述第二相位值/>以及
其中所述设定二元相位分布包括控制相位调制器根据下式使所述第一发射光和所述第二发射光转向角度θ：
其中λ是入射光的波长，Tk是所述第一相位值和所述第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是所述周期的平均值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述发射包括将所述第一发射光发射到所述物体以及将第二发射光发射到所述光束反射器件。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括控制所述第二发射光的反射角，从而导致所述第二发射光的扫描区域与所述第一发射光的扫描区域相同。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括控制所述光束控制装置，使得所述第一发射光和所述第二发射光通过彼此重叠而扫描所述物体或者交替地扫描所述物体。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括控制所述第二发射光的反射角，从而导致所述第二发射光的扫描区域与所述第一发射光的扫描区域相邻。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述设定二元相位分布还包括：
使用从0π到2π的整个相位值范围设定全相位分布以实现期望的输出；以及
将构成所述全相位分布的相位值的每个校正为所述第一相位值φ1和所述第二相位值φ2中的一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述设定二元相位分布还包括通过将设定范围内的所有相位值校正为所述第一相位值φ1并且将所述设定范围外的所有相位值校正为所述第二相位值φ2而将构成所述全相位分布的所述相位值的每个校正为所述第一相位值φ1和所述第二相位值φ2中的一个。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一相位值φ1与所述第二相位值φ2之间的差为π，并且所述设定范围的宽度为π。
15.一种光探测和测距系统，包括：
光源；
光束控制装置，其被配置为使来自所述光源的光转向到物体，所述光束控制装置包括：
相位调制器件，其被配置为调制入射光的相位，从而至少发射在第一方向上发射的第一发射光和在第二方向上发射的第二发射光，以及
光束反射器件，其被配置为朝所述物体反射所述第一发射光和所述第二发射光中的至少一个；以及
传感器单元，其被配置为接收从所述物体反射的光，
其中所述相位调制器件包括：
相位调制器，包括多个通道，其中所述多个通道的每个被配置为独立地调制入射到其上的光的相位，以及其中第一相位值和第二相位值/>中的一个被应用于所述多个通道的每个，从而形成二元相位分布；
信号输入单元，其被配置为将用于相位调制的输入信号施加到所述多个通道的每个；
二元设定器，其被配置为通过布置所述多个通道当中的第一相位值和第二相位值而设定所述二元相位分布；以及
控制器，其被配置为根据所述二元相位分布控制所述信号输入单元，
其中所述二元设定器还被配置为重复地执行为所述多个通道中的一个或更多个第一相邻通道设定所述第一相位值并且为所述多个通道中的一个或更多个第二相邻通道设定所述第二相位值/>的过程，以及
其中所述二元设定器被配置为控制所述相位调制器根据下式使所述第一发射光和所述第二发射光转向角度θ：
其中λ是所述入射光的波长，Tk是所述第一相位值和所述第二相位值/>的布置模式在其中重复的第k周期，<Tk>是所述周期的平均值。
16.一种使用根据权利要求1所述的光束控制装置的光束控制方法，包括：
根据所述二元相位分布驱动所述相位调制器件，使得所述多个通道的每个被分配所述第一相位值和所述第二相位值中的一个；
将所述入射光发射到所述相位调制器件上；
所述相位调制器件朝所述物体输出所述第一发射光并朝所述光束反射器件输出所述第二发射光；
所述光束反射器件朝所述物体反射所述第二发射光。
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