CN111750331A - 一种具有探测功能的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种照明系统，包括：照明光源，用于发出照明光，照明光经照明光路出射；探测光源，用于发出探测光，探测光经探测光路到达接收器，探测光路包括由探测光源到目标物体的发射光路和由目标物体到接收器的接收光路；光调制装置，包括微镜阵列，设置在照明光路和探测光路上，用于调制照明光的空间分布，并用于调制探测光的方向、相位或空间分布的至少一种。通过将光调制装置设置在照明光路和探测光路上，一方面调制照明光源的照明光空间分布，实现高分辨率的照明分布，另一方面可以不借助机械旋转结构而实现大视场角的探测扫描，真正实现了照明探测一体的高度集成，且对核心、高成本的光调制装置实现了复用，提高了利用率，降低了系统成本。

Description

一种具有探测功能的照明系统

技术领域

本发明涉及照明技术领域，特别是涉及一种具有探测功能的照明系统。

背景技术

汽车大灯光源经历了从卤素灯，氙气灯到LED大灯的升级，目前LED汽车大灯已经开始在汽车市场普及。激光光源较其他光源具有的高亮度、高能效、高寿命、小体积、方向性好和启动速度快等技术先进性，使激光大灯成为LED大灯之后新的发展趋势，并已开始用在部分高端汽车市场。

由于激光的发散角小，容易控制方向，德州仪器和奥迪等公司相继提出基于数字微镜阵列(如DMD，Digital Micromirro Device)的激光大灯概念产品，该激光大灯可由智能控制器控制光束的颜色及光强，根据对面来车方位自动关闭部分镜面，变换照射区域，减少对迎面车辆的眩光影响，实现像素化车灯照明。

另一方面，随着计算技术和人工智能的发展，智能驾驶成为汽车行业未来的发展趋势，车载激光雷达目前是市场上最热门的研究方向之一，技术路线众多，包括机械式扫描、MEMS微镜、光学相控阵OPA、闪光面阵Flash等。2012年谷歌的机械式动驾驶汽车正式获得了美国第一张执照，但是，业界对机械旋转式激光雷达持“过渡产品”的观点。采用MEMS扫描镜的混合固态激光雷达，由于其小型化和低成本，则是最有希望快速成熟的方案，有望集成于第一代L3级以上的自动驾驶汽车上，Flash LiDAR和OPA LiDAR全固态激光雷达也有望成为未来的主流技术。

外观设计对于汽车的市场前景影响重大，车灯由卤素灯到LED灯的过程逐渐释放了汽车的可自由设计空间，而激光雷达的应用则迫使汽车的自由设计空间减小，即使是小尺寸的固态激光雷达，也不可避免的占用了汽车的空间。为了获得紧凑的结构，有厂商提出将汽车头灯与激光雷达相结合，将两者进行组合。然而这种组合的系统集成度较低，普遍仅仅是将激光雷达与头灯进行空间机械结合，如US7893865B2，两者只是将车灯罩作为同一个出光口，该技术方案对空间设计的紧凑化和成本的降低影响有限。

发明内容

针对上述现有技术的汽车照明系统与探测系统集成度低、成本高的缺陷，本发明提供一种高集成度、低成本的具有探测功能的照明系统，包括：照明光源，用于发出照明光，所述照明光经照明光路出射；探测光源，用于发出探测光，所述探测光经探测光路到达接收器，所述探测光路包括由所述探测光源到目标物体的发射光路和由所述目标物体到所述接收器的接收光路；光调制装置，包括微镜阵列，设置在所述照明光路和所述探测光路上，用于调制所述照明光的空间分布，并用于调制所述探测光的方向、相位或空间分布的至少一种。

在一个实施方式中，微反射镜至少包括设置角度不同的第一状态和第二状态，以及在第一状态和第二状态之间的切换状态，在第一状态和第二状态下，微反射镜分别沿不同方向对光进行反射，当微反射镜处于第一状态时，该微反射镜能够将照明光沿照明光路反射出射。

在一个实施方式中，光调制装置设置在发射光路上。

在一个实施方式中，照明光与探测光依时序入射至光调制装置，光调制装置包括照明时序和探测时序；在照明时序内，照明光源开启，光调制装置调制照明光；在探测时序内，探测光源开启，光调制装置调制探测光。

在一个实施方式中，在探测时序，当探测光源处于打开状态时，各微反射镜分别均处于第一状态或第二状态。

在一个实施方式中，在探测时序，当探测光源处于打开状态时，全部微反射镜处于第一状态或者全部微反射镜处于第二状态。

在一个实施方式中，在探测时序，光调制装置执行清零程序，使得全部微反射镜均处于第一状态或者全部微反射镜处于第二状态。

在一个实施方式中，在探测时序，当探测光源处于打开状态时，部分微反射镜处于第一状态，部分微反射镜处于第二状态，使得探测光以一定的图案出射。

在一个实施方式中，对于连续的两个探测时序，各微反射镜所处的状态相反，探测光的出射图案为互补图案。

在一个实施方式中，一个探测时序的时长不大于光调制装置的最低有效位的时长。

在一个实施方式中，在探测时序，当各微反射镜均处于切换状态时，探测光源发射探测光，探测光为脉冲光，且脉冲宽度远小于切换状态的持续时间。

在一个实施方式中，探测时序至少包括重置时序和探测调制时序，经重置时序，全部微反射镜均处于第一状态或者全部微反射镜处于第二状态，探测调制时序包括起始时刻，自起始时刻起，各微反射镜均进入切换状态；探测光源自起始时刻起，经延迟时间发射探测光，延迟时间根据延迟时间与微反射镜的偏转角度的关系确定。

在一个实施方式中，在重置时序，光调制装置执行清零程序；或者在重置时序，光调制装置执行最低有效位的全黑场或全白场的图像调制。

在一个实施方式中，微反射镜处于第一状态时的探测光入射面与该微反射镜处于第二状态时的探测光入射面不共面。

在一个实施方式中，照明光与探测光分别入射至光调制装置的照明调制区域与探测调制区域，照明调制区域与探测调制区域不重叠。

在一个实施方式中，照明调制区域与探测调制区域交错设置，照明调制区域与探测调制区域对应的微反射镜上镀有不同的波长选择膜。

在一个实施方式中，探测光源为红外激光光源，照明光源包括半导体光源。

在一个实施方式中，包括激发光源和波长转换装置，波长转换装置至少包括第一波长转换材料和第二波长转换材料，激发光源激发第一波长转换材料后产生照明光，激发光源激发第二波长转换材料后产生探测光。

在一个实施方式中，波长转换装置还包括驱动单元，用于驱动波长转换装置运动，以使第一波长转换材料和第二波长转换材料依时序周期性位于激发光源的出射路径上。

在一个实施方式中，光调制装置设置在接收光路上。具体地，光调制装置既可以同时位于发射光路和接收光路上，也可以只位于接收光路上，当光调制装置只位于接收光路上时，光调制装置对来自探测目标的光进行调制，输送给接收器，以提高接收器接收的光信号的信噪比。

在一个实施方式中，还包括分光合光装置，位于探测光源与光调制装置之间的光路上，分光合光装置对发射光路上的探测光与接收光路上的探测光的透射反射特性相反。

优选地，分光合光装置为偏振分光装置，发射光路上的探测光为单一偏振态的线偏振光。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：通过将包括微镜阵列的光调制装置设置在照明系统的照明光路和探测光路上，一方面利用微镜阵列调制照明光源的照明光空间分布，实现了高分辨率的照明分布，另一方面利用微镜阵列对探测光的方向、相位或空间分布中的至少一种进行调制，可以不借助机械旋转结构而实现大视场角的探测扫描，真正实现了照明与探测一体的高集成度的系统，而且对最为核心、成本最高的光调制装置实现了复用，提高了光调制装置的利用率，极大的降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明的实施例一的照明系统的结构示意图；

图2为本发明的照明系统的光调制装置的结构示意图；

图3为本发明的照明系统的光调制装置的微反射镜的结构示意图；

图4为本发明实施例一的照明系统的照明光源、探测光源和一微反射镜的时序示意图；

图5为本发明实施例一的变形实施例的照明系统的结构示意图；

图6为本发明实施例一的另一变形实施例的照明系统的照明光源、探测光源和一微反射镜的时序示意图；

图7为本发明的实施例二的照明系统的光调制装置调制探测光时的结构示意图；

图8为本发明实施例三的变形实施例的微反射镜的结构示意图；

图9为本发明实施例四的照明系统的结构示意图；

图10为本发明实施例五的照明系统的结构示意图；

图11为本发明实施例五的光调制装置的表面结构示意图；

图12为本发明实施例五的变形实施例的光调制装置的表面结构示意图；

图13为本发明实施例六的照明系统的结构示意图；

图14为本发明实施例七的照明系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明构思主要在于，将光调制装置既应用于高分辨率的照明，又应用于高精度的探测，实现具有探测功能的照明系统，并进一步解决在对光调制装置复用时如何分配光调制装置的资源的问题。

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

请参见图1，为本发明实施例一的照明系统的结构示意图。照明系统10包括照明光源101、探测光源102、光调制装置120和接收器130。

照明光源101发出照明光111，照明光111经照明光路途经光调制装置120出射，光调制装置120调制照明光111的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。照明光源101可以包括半导体光源，如LED光源或激光二极管光源，该类光源具有响应速度快、能够实现电流调制的特点。

探测光源102发出探测光112，探测光112途经光调制装置120出射，照射在目标物体11上，而后，被目标物体11反射的光回到照明系统10，并被接收器130接收。探测光112由探测光源102最终到达接收器130的光路称为探测光路，探测光路分为两段，由探测光源112到目标物体11的称为发射光路，由目标物体11到接收器130的称为接收光路。光调制装置120调制探测光的方向、相位或空间分布的至少一种，获得高精度的探测信号。探测光源102可以为红外激光光源，激光光源具有能量高、响应快速、光谱范围窄的特点，有利于增加探测距离、探测速率快和提高探测精度。

如图2所示，本发明中，光调制装置120包括包含多个微反射镜的微镜阵列，图中示例性的给出了30×16微镜阵列矩阵，可以理解，本发明不限制微镜阵列所含的微反射镜数量，可以远远多于图中的数量。具体地，光调制装置120可以例如是DMD(DigitalMicromirror Device，数字微镜器件)。如图3所示，示例性的给出了光调制装置120包含的三个微反射镜，该图为微反射镜的侧视图，从左到右，依次为微反射镜的第一状态、切换状态和第二状态。各状态下，微反射镜的设置角度不同，以对入射光有不同的反射方向。其中，第一状态和第二状态为稳态，切换状态为第一状态与第二状态之间的过渡状态。在第一状态和第二状态下，微反射镜分别沿不同方向对光进行反射，取微反射镜能够将照明光沿照明光路反射出射的状态为第一状态。当微反射镜处于第二状态时，将照明光引导至偏离出口的方向。当微反射镜处于切换状态时，出射光方向介于第一状态和第二状态之间。

目前，汽车照明具有严格的法规要求，对照射区域的不同位置的亮度做了详细的规定，有的区域不得过亮，有的区域不得过暗。而高分辨率的汽车照明对照明的明暗分布有了更复杂的要求，要求实现像素化的照明分布，每个照明像素的明暗都需要做到精准调制。本发明中，通过调制每个微反射镜处于第一状态和第二状态的时间比例，就可以控制该微反射镜对应的照明像素的明暗。当微反射镜一直处于第一状态时，该微反射镜对应的照明像素为最亮状态，当微反射镜一直处于第二状态时，该微反射镜对应的照明像素表现为最暗状态，不对该区域照明，该微反射镜对应的照明像素的亮度可以在上述最亮与最暗之间调节。

在本发明中，照明光路和探测光路都经过光调制装置，由于探测光路既包括发射光路，又包括接收光路，因此包括以下三种情况：(1)光调制装置位于照明光路和发射光路上；(2)光调制装置位于照明光路和接收光路上；(3)光调制装置同时位于照明光路、发射光路和接收光路上。实施例一主要以情况(1)进行描述，在后续其他的实施例中，会对情况(2)、(3)做进一步描述，情况(2)、(3)中不与情况(1)冲突的部分可以参照情况(1)的描述。

请继续参照图1，在本实施例一中，照明光111和探测光112在到达光调制装置120之前，先通过合光器件进行了合光。由于照明光为可见光，而探测光通常为不可见光(最常用的如红外光)，两者可以根据波长的不同，通过二向色片进行合光。合光后，两者沿相同光路经一TIR棱镜入射至光调制装置120。

对于照明光111，光调制装置120通过控制各个微反射镜处于第一状态和第二状态的时间比例，实现整个照明区域的明暗分布，需要照明光源长期处于开启状态。而对于探测光112，主要通过接收光路中接收器捕获到的探测光对周围环境实现感知，发射光路的探测光主要是实现：(1)大范围、精细化的探测范围和(2)与接收光路的探测光做对比以提高信号准确度。可见，照明与探测对光调制装置的需求是不同的，这使得光调制装置120对探测光112的调制与对照明光111的调制不同，难以同时对两者实现调制。因此，需要解决如何分配光调制装置的资源的问题。

在本实施例一中，对光调制装置120的时间资源进行分配，下面结合图4对技术方案进行描述，图4为本发明实施例一的照明系统的照明光源、探测光源和一微反射镜的时序示意图。将光调制装置120的工作时间分为照明时序和探测时序，照明光111与探测光112依时序入射至光调制装置120。在照明时序内，照明光源101开启，光调制装置120调制照明光111；在探测时序内，探测光源102开启，光调制装置120调制探测光112。照明时序与探测时序可以周期性的重复，通过对照明和探测进行时间叠加，同时实现照明与探测功能。

在每个照明时序内，如上所述，通过控制各个微反射镜处于第一状态的时间占比，来控制该微反射镜对应的照明区域的明暗程度，图4中任取一微反射镜进行举例说明，不同位置的微反射镜处于第一状态的时间可能各不相同，不再一一举例。而对于探测时序，可能有多种方式实现，接下来先对其中一种实现方式进行描述。

在本实施例中，照明光111和探测光112沿相同的方向入射至光调制装置120。在探测时序，照明光源101关闭，当探测光源102处于打开状态时，全部微反射镜处于第一状态(或者说，当全部微反射镜都处于第一状态后，探测光源才开启)。与照明光111类似，入射到光调制装置120表面的探测光112被投射系统(图中未示出)投射到场景中。所不同的是，光调制装置120不对探测光的明暗分布进行调制，而是形成一个均匀的探测光场，通过接收器接收整个场景反射回的探测光图案，判断周围场景内的物体分布。

如上文所述，汽车法规对车灯的照明分布有严格的要求，因此，在照明时序很难获得全部微反射镜均处于第一状态的状态，需要独立的探测时序实现对探测光的空间分布进行调制，以实现均匀的探测光场。在照明时序，各微反射镜所处的状态可能各不相同，因此，当进入探测时序，需要控制使全部微反射镜置于相同的状态。

在一个具体实施方式中，通过对光调制装置120输入控制信号，如一个全白场图像信号，能够使得全部微反射镜置被设置为第一状态。当全部微反射镜处于第一状态后，控制系统对探测光源发出信号，驱动探测光源发出探测光的脉冲，使得在整个探测光的脉冲宽度时间内，各微反射镜保持在第一状态，以避免探测光场发生改变。

需要考虑的是，虽然照明光路与探测光路都需要用到光调制装置，但是两者对于资源的需求是不同的。

在本实施例的一个具体实施方式中，为了优化配置资源，将探测时序设置为，使得一个探测时序的时长不大于光调制装置的最低有效位(LSB，Least significant bit)的时长。其中，LSB借用DMD中的一个概念，是指光调制装置能够实现的最小灰度单位，在本发明中，LSB对应光调制装置在照明时序能够调制的最小亮度单元所对应的时长。举例说明，假设光调制装置在照明时序能够实现位深为4的明暗调节，那么每个微反射镜对应的照明区域能够实现2⁴＝16种灰度状态，除了全暗的[0000]状态外，[0001]为能够调制的最小亮度单元，也是相邻的两个灰阶的灰度差，为实现该亮度，微反射镜停留在第一状态的时长为最低有效位的时长。在此假设下，可以将探测时序的时长设置为对应[0001]的调制时长。

本实施方式通过在时长不大于光调制装置的最低有效位的时长内对探测光进行调制，一方面避免了相邻两个照明时序间隔太长而导致的频闪问题，能够避免驾驶员视觉疲劳，另一方面也提高了单位时间内的照明光辐射功率，提高了照明亮度。

可以理解，由于被微反射镜反射的光能否出射取决于入射光角度与微反射镜偏转角度共同的作用，因此，可以通过改变探测光的入射方向，使得处于第二状态的微反射镜将探测光沿探测光路反射出射。在本实施例的一个变形实施例中，照明光和探测光分别从不同的方向/角度入射至光调制装置，在探测时序，当探测光源处于打开状态时，全部微反射镜均处于第二状态。请参见图5，为本发明实施例一的变形实施例的照明系统的结构示意图。

如图5所示，照明系统10’包括照明光源101’、探测光源102’、光调制装置120’和接收器130’。照明光源101’发出照明光111’，照明光111’经照明光路途经光调制装置120’出射，光调制装置120’调制照明光111’的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。探测光源102’发出探测光112’，探测光112’途经光调制装置120’出射，照射在目标物体11’上，而后，被目标物体11’反射的光回到照明系统10’，并被接收器130’接收。

与图1所示的实施例一不同之处在于，本实施例中，照明光111’和探测光112’在到达光调制装置120’之前未合光，两者分别从不同的方向入射。如图示例，照明光111’和探测光112’分别经不同的反射镜反射后到达光调制装置120’。当微反射镜处于第一状态时，可将照明光111’反射出射；当微反射镜处于第二状态时，可将探测光112’反射出射。因此，在本实施例中，在探测时序，当全部微反射镜处于第二状态后，探测光源开启(或者说，当探测光源处于打开状态时，全部微反射镜处于第二状态)。该技术方案使得照明光路和探测光路能够相对分离，减少了合光设计的器件成本和设计的复杂度。本变形实施例的主要区别就在于探测光112’的入射方式，关于其他器件或控制规则的技术方案描述，可以参照上述实施例一的描述，此处不再赘述。

在实施例一中，通过设置灰度信息对应一个LSB的“全白场”图像信号给光调制装置120，在该LSB的时长内开启探测光源102发射脉冲探测光，从而实现对探测的光调制装置时间资源分配。虽然LSB为光调制装置能够实现的最小可调节单位，然而其时长仍远大于探测光源的脉冲时长，会造成光调制装置的利用率降低。例如，典型的DMD的一个LSB大约为十几微秒，而激光光源的调制脉宽可达几纳秒，两者相差多个数量级，相当于对光调制装置的时间资源的浪费。为了提高光调制装置的时间资源利用率，在实施例一的基础上进行了变形，对调制时序进行了优化。

如图6所示，为本发明实施例一的另一变形实施例的照明系统的照明光源、探测光源和一微反射镜的时序示意图。在该实施例中，在探测时序，光调制装置执行清零程序，使得全部微反射镜均处于第二状态，此时，探测光源发射探测光脉冲，使得探测光沿探测光路出射。本发明中，光调制装置的“清零程序”能够较快的实现所有微反射镜统一到达第一状态或第二状态中的一种，从而减少操作时间，提高照明时序的总时间占比，进而提高照明亮度。下面以实际的DMD产品对“清零程序”进行说明。

DMD的单个微反射镜在加驱动电压之后，存在两个稳定的工作状态，一般称为ON状态(对应第一状态)和OFF状态(对应第二状态)。微镜阵列中的所有微反射镜存在同一个时钟，在每次时钟更新时，每个微反射镜都会按照自身被设定的状态(ON或者OFF)显示，因此既存在一些时钟前后状态未发生变化的微反射镜，也存在一些时钟前后状态发生翻转的微反射镜。微反射镜从一个状态翻转到另外一个状态所需要的时间称为“crossover time，交叉时间”(The time required for a micromirror to nominally transition from onelanded state to the opposite landed state)，一般为1～3个微秒；单个微反射镜从一次状态变化到另外一次连续的变化所需要的时间称为“switching time，切换时间”(Theminimum time between successive transitions of a micromirror)，一般超过10个微秒，switching time相比crossover time多出了等待微反射镜稳定的抖动时间，switchingtime的长短决定了理论上微镜阵列可能实现的最大刷新速率。除了上面所说的微反射镜正常从一个状态到另外一个状态，DMD操作中存在“Clear operation”(即对应清零程序)，它可以较快实现所有微反射镜统一回到OFF状态，其运算优先级高，不必等待微反射镜稳定的抖动时间，即可驱动微反射镜改变状态。一般来讲，在镜片翻转的过程中使用clearoperation可以使镜片处于有效ON状态的switching time缩短为约为“crossover time”。

在DMD产品中，“Clear operation”用于将所有微反射镜置于OFF状态。在本发明中，通过“清零程序”不限于将全部微反射镜置于第二状态，在其他实施方式中，也可以将全部微反射镜置于第一状态。优选地，通过“清零程序”，能够将全部微反射镜置于能够将探测光反射出射的状态。

以上各实施例中，以均匀的探测光场进行探测，大致属于目前Flash LiDAR的技术范畴。为进一步提高探测精度，在本发明实施例二中，将探测光场也图案化，以携带图案信息的探测光照射周围环境，通过对比经目标物体反射后接收到的图案与发射图案的关系，能够更为精确的探知周围环境的情况。

本实施例二中，照明系统包括照明光源、探测光源、光调制装置和接收器，各器件及其相互关系的描述可以参照实施例一及其各变形实施例的技术方案。本实施例二与上述各实施例唯一的不同点在于，在探测时序，当探测光源处于打开状态时，部分微反射镜处于第一状态，部分微反射镜处于第二状态，使得探测光以一定的图案出射。

具体地，在一个实施方式中，当微反射镜处于第一状态时，探测光能够被反射出射，而当微反射镜处于第二状态时，探测光被反射后不能出射，光路结构可以参照如图1的结构示意图。请进一步参见图7，为本发明的实施例二的照明系统的光调制装置调制探测光时的结构示意图。图中白色表示的微反射镜处于第一状态，斜线表示的微反射镜处于第二状态，该微镜阵列的状态分布使得出射的探测光呈现为横纹栅格分布。通过分析接收器接收到的图像相对于原横纹栅格的形变，能够更精确的计算出周围环境物体的距离、形状等信息。

在另一个实施方式中，当微反射镜处于第二状态时，探测光能够被反射出射，而当微反射镜处于第一状态时，探测光被反射后不能出射，光路结构可以参照如图5的结构示意图。该技术方案与上述技术方案类似，此处不再赘述。

相对于均匀的探测光场，具有一定图案分布的探测光场通过携带更多的探测信息，提高了探测精度。但是由于其照射区域不连续，可能漏掉尺寸较小或形状奇特的物体，从而影响安全问题。为了进一步解决该问题，在实施例二的基础上，进一步地，其变形实施例利用连续的两个探测时序，使两个探测时序的各微反射镜所处的状态相反，从而使得两个探测时序出射的探测光的出射图案为互补图案。例如，在第一探测时序，光调制装置的微镜阵列的分布如图7所示，在第二探测时序，将图7中白色和斜线表示的微反射镜的状态互换。该技术方案弥补了只使用单一图案时可能存在的信息遗漏问题。

可以理解，本发明中，调制探测光的图案不限于列举的横纹栅格分布，也可以是其他图案，而且也不限于固定图案，也可以是多种图案交替。

在实施例二及其变形实施例中，由于需要对探测光进行图案化调制，改变探测光的空间分布，因此至少需要一个最低有效位的时长获得微镜阵列稳定的状态分布。

在实施例一、实施例二及其各变形实施例中，探测光源都是在微反射镜均处于稳态时发射，即在探测时序，当探测光源处于打开状态时，个微反射镜分别均处于第一状态或第二状态。在本发明中，对探测光的调制还可以包括其他情形。

在本发明实施例三中，仍可以参照图1或图5的光路结构示意图，照明光和探测光依时序入射至光调制装置。在探测时序，当各微反射镜均处于切换状态时，探测光源发射探测光，该探测光为脉冲光，且脉冲宽度远小于切换状态的持续时间。探测光源在微反射镜处于非稳态时发射，发射角度不再像稳态时那样只有两种可能性。

具体地，探测光的脉冲宽度至少比切换状态的持续时间小两个数量级。脉冲宽度时长可以为几个纳秒，而切换状态的持续时间大约为几个微秒。因此，对于脉冲探测光来说，微反射镜在任意时刻实际是静止在某个确定的角度。

在本实施例中，利用闪耀光栅(Blazed Gratings)的原理对入射的探测光脉冲进行偏折来实现扫描探测。光栅形成的方法是让每个微反射镜都在切换状态下以相同的某个角度偏转，形成由微镜阵列组成的光栅，对光的相位调制而实现对光的偏折。

为了使得全部微反射镜在探测光发射时的角度都保持一致，需要将全部微反射镜置于同一稳定状态(第一状态或第二状态)，然后同时进行翻转。因此，在本实施例中，探测时序至少包括重置时序和探测调制时序。经过重置时序后，全部微反射镜均处于第一状态或者全部微反射镜均处于第二状态。然后在某一时刻起，各微反射镜同时进入切换状态，开始翻转，定义该时刻为起始时刻，作为探测调制时序的起点。自起始时刻起，探测光源经延迟时间发射探测光脉冲，从而获得想要的光的偏折。其中，延迟时间根据延迟时间与微反射镜的偏转角度的关系确定。

在一个实施方式中，在重置时序，光调制装置执行清零程序，将全部微反射镜置于同一稳态。在另一个实施方式中，在重置时序，光调制装置执行最低有效位的全黑场或全白场的图像调制，以将全部微反射镜统一为同一稳态。具体实现方式可以参照上文描述，此处不再赘述。

在实施例三中，微反射镜有第一状态和第二状态两个稳态，如图3所示，两者通过一旋转轴(即微反射镜的一对角线)偏转切换，使得在第一状态下的探测光入射面与第二状态下探测光的入射面为同一平面，也就是说，当微反射镜在切换状态下偏转时，被反射的探测光在一个固定的平面内变换出射角度，因此形成的光栅只能是一维光栅，会限制探测视场的尺寸。为了进一步扩大探测视场，可以采用类似于TRP DMD的微反射镜偏转方式，实现二维光栅。

具体地，在实施例三的变形实施例中，请参见图8，为本发明实施例三的变形实施例的微反射镜的结构示意图。在最左侧的视图中，微反射镜的偏转可以拆解为两个不同的旋转方向，使得微反射镜在第一状态和第二状态下，分别向两个相邻的边的方向倾斜。因此，在探测光入射方向不变的情况下，微反射镜处于第一状态时的探测光入射面与微反射镜处于第二状态时的探测光入射面不共面。这使得当微反射镜在第一状态与第二状态之间切换时，被反射的探测光的轨迹不在一个平面内，而是在一个曲面内，这样能够实现二维方向的光偏折，从而扩大了探测视场。

需要理解的是，本变形实施例中，微反射镜的第一状态和第二状态不必然与上述实施例中的第一状态和第二状态相同。

在上述各实施例中，照明光源和探测光源采用半导体光源，通过控制光源的开关，实现照明与探测的时序分配，下面对光源的技术方案进行扩展，非光源部分的描述可以参照上述各实施例的描述，不再重复赘述。

请参见图9，为本发明实施例四的照明系统的结构示意图。照明系统40包括激发光源400、波长转换装置440、光调制装置420和接收器430。其中，波长转换装置440包括第一波长转换材料441和第二波长转换材料442。激发光源400激发第一波长转换材料441后产生照明光411，即激发光源400与第一波长转换材料共同构成了照明光源；激发光源400激发第二波长转换材料442后产生探测光412，即激发光源400与第二波长转换材料442共同构成了探测光源。

具体地，激发光源400可以选择蓝色激光光源，如蓝光激光二极管光源，第一波长转换材料441可以选择黄色荧光材料，如Ce:YAG，通过蓝光激发黄色荧光材料，使得产生的黄光与未被吸收完的蓝光混合，得到白光用于照明。第二波长转换材料442可以选择红外荧光粉材料，吸收蓝光并发出红外光。进一步地，由于荧光光谱普遍较宽，为了提高探测信号的精度，需要在红外荧光的路径上设置滤光片，以获得窄铺红外荧光。或者，在另一个实施方式中，第二波长转换材料442选用红外量子点材料，该材料发射光谱窄，能够很好的满足探测光的波长需求。

在本实施例中，采用波长转换后的红外荧光作为探测光，相比于红外激光光源具有以下优势：红外荧光不是相干光，没有散斑问题。

本实施例四中，波长转换装置440还包括驱动装置443，用于驱动波长转换装置运动，以使第一波长转换材料441和第二波长转换材料442依时序周期性的位于激发光源400的出射路径上。该装置可以无需频繁的控制半导体光源的开关，简单的利用波长转换装置的运动实现时序出光，提高了可靠性。但需要注意的是，对于上述实施例中需要脉冲发射探测光的技术方案，仍需要精确的控制激发光源的开关。

本实施例四利用驱动装置443驱动不同的波长转换材料位于光路上，可以理解，在本发明的其他实施方式中，也可以不需要该驱动装置，而是分别通过不同的光路分别得到照明光与探测光。此时激发光源包括用于激发第一波长转换材料的第一激发光源和用于激发第二波长转换材料的第二激发光源，通过控制第一激发光源和第二激发光源的开关得到时序发射的照明光与探测光。

以上各实施例中，对光调制装置的时间资源进行分配，照明光与探测光分别在不同的时序到达光调制装置。本发明中，还可以对光调制装置的空间资源进行分配。

请参见图10和图11，图10为本发明实施例五的照明系统的结构示意图，图11为本发明实施例五的光调制装置的表面结构示意图。照明系统50包括照明光源501、探测光源502、光调制装置520和接收器530。照明光源501发出照明光511，照明光511经照明光路途经光调制装置520出射，光调制装置520调制照明光511的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。探测光源502发出探测光512，探测光512途经光调制装置520出射，照射在目标物体51上，而后，被目标物体51反射的光回到照明系统50，并被接收器530接收。

注意图10与图5的区别，在图5中，照明光111’与探测光112’照射在光调制装置120’的相同区域，两者的出射光基本重合，而在图10中，照明光511与探测光512分别照射在光调制装置520的不同区域。如图11所示，光调制装置520包括不重叠的照明调制区域521(图中用白色块表示)和探测调制区域522(图中用灰色块表示)，照明光511与探测光512分别入射至照明调制区域521和探测调制区域522。通过这种设置，可以实现照明与探测同步进行。

具体地，照明调制区域521仍可以按照上述明暗调制的方法实现照明调制；探测调制区域522可以参照上述各实施例的调制方式(包括均匀探测光场、图案化探测光场、闪耀光栅探测光)对探测光进行调制，而且具有更宽裕的时间资源，可以在单位时间内实现更多次的探测，从而提高获得的周围环境数据量，提高探测精度。

可以理解，照明调制区域与探测调制区域的分布不限于图11所示的图案分布，还可以为其他区域分布。在本发明实施例五的一个变形实施例中，如图12所示，光调制装置520’的照明调制区域521’与探测调制区域522’交错设置。该技术方案使得照明光的覆盖区域与探测光的覆盖区域基本相同，避免两者明显分离。具体地，可以通过在光调制装置520’的微反射镜表面镀波长选择膜实现该技术方案。照明调制区域521’与探测调制区域522’对应的微反射镜上分别镀有不同的波长选择膜，前者吸收探测光并反射照明光，后者吸收照明光并反射探测光。该实施方式下，可以使得照明光与探测光覆盖整个光调制装置的表面，无需将两者分离入射。

以上各实施例中，描述了(1)光调制装置位于照明光路和发射光路上的技术方案，下面对(2)光调制装置位于照明光路和接收光路上和(3)光调制装置同时位于照明光路、发射光路和接收光路上的技术方案进行简要描述。

请参见图13，为本发明实施例六的照明系统的结构示意图。照明系统60包括照明光源601、探测光源602、光调制装置620和接收器630。照明光源601发出照明光611，照明光611经照明光路途经光调制装置620出射，光调制装置620调制照明光611的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。探测光源602发出探测光612，探测光612途经光调制装置620出射，照射在目标物体61上，而后，被目标物体61反射的光回到照明系统60，经光调制装置620最终到达接收器630上。

本实施例六中，光调制装置620既位于探测光路的发射光路上，又位于探测光路的接收光路上，光调制装置620不仅可以对发射光路的探测光进行调制，还可以调制接收光路的探测光，提高探测精度。

在本实施例中，还包括分光合光装置650，位于探测光源602与光调制装置620之间的光路上。分光合光装置650对发射光路上的探测光(图中实线光)与接收光路上的探测光(图中虚线光)的透射反射特性相反，如图所示，分光合光装置650透射发射光路的探测光，反射接收光路的探测光。

在一个具体的实施方式中，分光合光装置650为偏振分光装置，通过偏振态对发射光路和接收光路的探测光进行分光合光。为此，需要使发射光路上的探测光设为单一偏振态的线偏振光，可以通过偏振转换装置，或者利用激光本身的偏振特性实现。探测光经发射光路出射后，被周围环境的物体反射，不再维持偏振度，因此接收光路的探测光不具有单一的偏振态。通过分光合光装置的偏振分光，将探测光中与发射光路偏振态不同的光引导至接收器。同时，该技术方案还可以过滤环境中的一些噪声光，提高探测精度。

本实施例六及其各具体实施方式的其他器件结构及控制方式的技术方案可以参照上述各实施例的描述。

请参见图14，为本发明实施例七的照明系统的结构示意图。照明系统70包括照明光源701、探测光源702、光调制装置720和接收器730。照明光源701发出照明光711，照明光711经照明光路途经光调制装置720出射，光调制装置720调制照明光711的空间分布，获得精细化明暗分布的照明分布。探测光源702发出探测光712，照射在目标物体71上，而后，被目标物体71反射的光回到照明系统70，经光调制装置720最终到达接收器730上。该照明系统70还包括分光装置760，设置在光调制装置720与接收器730之间的光路上，用于将接收光路的探测光引导至接收器730。具体地，该分光装置760可以是一个波长分光棱镜。

该实施例七中，光调制装置720只位于探测光路的接收光路上，通过对接收的探测光进行调制，以对从周围环境采集到的信息进行光加工，实现高精度的探测。

同样地，光调制装置720对照明光和接收光路的探测光的调制，既可以采用如实施例一至三的时序调制，也可以采用如实施例五的区域调制，此处不再赘述。

上述实施例中的半导体光源、激光光源、激发光源+波长转换装置光源，同样可以应用于实施例六、七的技术方案中。

以上，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明主要可以应用在汽车等载具照明上，也可以应用于其他需要照明与探测结合的应用场景。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (22)

1.一种具有探测功能的照明系统，其特征在于，包括：

照明光源，用于发出照明光，所述照明光经照明光路出射；

探测光源，用于发出探测光，所述探测光经探测光路到达接收器，所述探测光路包括由所述探测光源到目标物体的发射光路和由所述目标物体到所述接收器的接收光路；

光调制装置，包括包含多个微反射镜的微镜阵列，设置在所述照明光路和所述探测光路上，用于调制所述照明光的空间分布，并用于调制所述探测光的方向、相位或空间分布的至少一种。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述微反射镜至少包括设置角度不同的第一状态和第二状态，以及在第一状态和第二状态之间的切换状态，在第一状态和第二状态下，所述微反射镜分别沿不同方向对光进行反射，当所述微反射镜处于第一状态时，该微反射镜能够将所述照明光沿照明光路反射出射。

3.根据权利要求2所述的照明系统，其特征在于，所述光调制装置设置在所述发射光路上。

4.根据权利要求3所述的照明系统，其特征在于，所述照明光与所述探测光依时序入射至所述光调制装置，所述光调制装置包括照明时序和探测时序；

在所述照明时序内，所述照明光源开启，所述光调制装置调制所述照明光；

在所述探测时序内，所述探测光源开启，所述光调制装置调制所述探测光。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，当所述探测光源处于打开状态时，各所述微反射镜分别均处于所述第一状态或所述第二状态。

6.根据权利要求5所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，当所述探测光源处于打开状态时，全部所述微反射镜处于所述第一状态或者全部所述微反射镜处于所述第二状态。

7.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，所述光调制装置执行清零程序，使得全部所述微反射镜均处于第一状态或者全部所述微反射镜处于所述第二状态。

8.根据权利要求5所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，当所述探测光源处于打开状态时，部分所述微反射镜处于第一状态，部分所述微反射镜处于第二状态，使得所述探测光以一定的图案出射。

9.根据权利要求8所述的照明系统，其特征在于，对于连续的两个所述探测时序，各所述微反射镜所处的状态相反，所述探测光的出射图案为互补图案。

10.根据权利要求5所述的照明系统，其特征在于，一个所述探测时序的时长不大于所述光调制装置的最低有效位的时长。

11.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，在所述探测时序，当各所述微反射镜均处于所述切换状态时，所述探测光源发射所述探测光，所述探测光为脉冲光，且脉冲宽度远小于所述切换状态的持续时间。

12.根据权利要求11所述的照明系统，其特征在于，所述探测时序至少包括重置时序和探测调制时序，经所述重置时序，全部所述微反射镜均处于第一状态或者全部所述微反射镜处于所述第二状态，所述探测调制时序包括起始时刻，自所述起始时刻起，各所述微反射镜均进入所述切换状态；

所述探测光源自所述起始时刻起，经延迟时间发射所述探测光，所述延迟时间根据所述延迟时间与所述微反射镜的偏转角度的关系确定。

13.根据权利要求12所述的照明系统，其特征在于，在所述重置时序，所述光调制装置执行清零程序；或者

在所述重置时序，所述光调制装置执行最低有效位的全黑场或全白场的图像调制。

14.根据权利要求12所述的照明系统，其特征在于，所述微反射镜处于第一状态时的探测光入射面与该微反射镜处于第二状态时的探测光入射面不共面。

15.根据权利要求3所述的照明系统，其特征在于，所述照明光与所述探测光分别入射至所述光调制装置的照明调制区域与探测调制区域，所述照明调制区域与所述探测调制区域不重叠。

16.根据权利要求15所述的照明系统，其特征在于，所述照明调制区域与所述探测调制区域交错设置，所述照明调制区域与所述探测调制区域对应的微反射镜上镀有不同的波长选择膜。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述探测光源为红外激光光源，所述照明光源包括半导体光源。

18.根据权利要求1至16中任一项所述的照明系统，其特征在于，包括激发光源和波长转换装置，所述波长转换装置至少包括第一波长转换材料和第二波长转换材料，所述激发光源激发所述第一波长转换材料后产生所述照明光，所述激发光源激发所述第二波长转换材料后产生所述探测光。

19.根据权利要求18所述的照明系统，其特征在于，所述波长转换装置还包括驱动单元，用于驱动所述波长转换装置运动，以使所述第一波长转换材料和所述第二波长转换材料依时序周期性位于所述激发光源的出射路径上。

20.根据权利要求1至16中任一项所述的照明系统，其特征在于，所述光调制装置设置在所述接收光路上。

21.根据权利要求20所述的照明系统，其特征在于，还包括分光合光装置，位于所述探测光源与所述光调制装置之间的光路上，所述分光合光装置对所述发射光路上的探测光与所述接收光路上的探测光的透射反射特性相反。

22.根据权利要求21所述的照明系统，其特征在于，所述分光合光装置为偏振分光装置，所述发射光路上的探测光为单一偏振态的线偏振光。

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