CN112368627A - 光扫描仪 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种适用于光扫描的装置(100)。该装置(100)包括光源(102)和光子晶体(104)。光源(102)被配置为沿光轴(105)引导光束朝向光子晶体(104)。光子晶体(104)被配置为以相对于光轴(105)成一定角度的方向引导光束。该角度是光束的波长的函数。该装置(100)还可以包括被配置成用于发散其接收的来自于光子晶体(104)的光束的部分环形透镜(106)。该装置(100)的光源(102)可以被配置为在一段波长范围内连续地改变波长。

Description

光扫描仪
【技术领域】
本文的公开内容涉及光扫描仪。
【背景技术】
激光雷达(Lidar)是基于激光检测、测距和测绘的方法，其使用类似于雷达的技术。激光雷达系统有几个主要组成部分：激光器、扫描仪和光学器件、光探测器和接收器电子装置。例如，执行扫描激光束的转向控制，并且通过处理被捕获的从远处、建筑物和景观反射回的返回信号，这些物体、建筑物和景观的距离和形状可以被获取。
激光雷达被广泛使用。例如，自动车辆(例如，无人驾驶汽车)将激光雷达(也称作车载激光雷达)用于障碍物检测和碰撞避免，使其在环境中安全导航。车载激光雷达安装在自动车辆的车顶上，并且不断地旋转以监控车辆周围的环境。激光雷达的感应器为软件提供用于确定存在于环境中的潜在障碍物的位置的必要数据，帮助识别障碍物的空间结构，基于尺寸区分物体并估计驶过该物体的影响。与雷达相比，激光雷达系统的一个优点在于，激光雷达系统能够提供更精确的测距和覆盖更广阔的视野，这有助于道路曲线上的障碍物检测。尽管开发激光雷达系统在近年来已经有了巨大的进展，大量的为各种应用需求设计激光雷达系统的努力在现今仍然在进行，包括开发可以进行扫描控制的新的光源，提升返回信号的检测。
【发明内容】
本文公开了一种装置，该装置包括：光源，和光子晶体；其中所述光源经配置沿光轴向光子晶体引导光束；其中所述光子晶体经配置沿相对于光轴成一个角度的方向引导所述光束朝向被配置为发散光束的部分环面透镜；其中所述角度是所述光束的波长的函数。
根据实施例，所述光源被配置成在一定波长范围内持续地改变波长。
根据实施例，所述波长范围在700纳米至1毫米之内。
根据实施例，所述波长范围在400纳米至700纳米之内。
根据实施例，所述角度相对于所述波长的导数大于1.8°/纳米。
根据实施例，所述角度相对于所述波长的导数大于2.1°/纳米。
根据实施例，所述部分环面透镜包括一段环面。
根据实施例，所述段具有大于90°的环形角度。
根据实施例，所述部分环面透镜被配置成沿着一个维度连续地发散所述光束。
根据实施例，所述部分环面透镜被配置成发散所述光束至多个离散方向。
根据实施例，所述部分环面透镜被配置成将所述光束朝向目标场景。
根据实施例，所述装置还包括经配置用于检测一部分被所述目标场景散射的所述光束的探测器。
根据实施例，所述探测器包括第一柱面透镜和第二柱面透镜，其中所述第一柱面透镜位于目标场景和第二柱面透镜之间。
根据实施例，所述第一柱面透镜被配置为在第一维度上汇聚所述部分光束，其中所述第二柱面透镜被配置为在所述部分光束通过所述第一柱面透镜后在第二维度上汇聚所述部分光束。
根据实施例，所述第一柱面透镜的焦距和所述第二柱面透镜的焦距为正，其中所述第一柱面透镜的焦距小于所述第二柱面透镜的焦距。
根据实施例，所述探测器被配置为基于所述部分光束产生电信号。
根据实施例，所述装置还包括被配置成处理和分析所述电信号的处理器。
根据实施例，所述光束为激光束。
【附图说明】
图1根据实施例示意性地示出了适于光扫描的装置。
图2根据实施例示意性地示出了图1的光源。
图3根据实施例示意性地示出了图1的光源。
图4示意性地示出了可以通过改变来自光源的光的波长来扫描目标场景。
图5根据实施例示意性地示出了包括图1装置的系统。
图6A根据实施例示意性地示出了可用在图5系统中的光学器件的透视图。
图6B根据实施例示意性地示出了可用在图5系统中的光学器件的透视图。
图6C根据实施例示意性示出了具有图6B光学器件的图5系统的俯视图。
图7根据实施例示意性地示出了激光雷达。
【具体实施方式】
图1根据实施例示意性地示出了适于光扫描的装置100。装置100可具有光源102和光子晶体104。光源102被配置成将光束沿光轴105导向光子晶体104。光子晶体104被配置成将其接收的光束以相对于光轴105成一定角度的方向导向部分环面透镜106。该角度取决于所述光束的波长。部分环面透镜106可以是装置100的一部分。部分环面透镜106被配置成用于发散其从光子晶体104接收的光束。
光源102可以改变其产生的光束的波长。在图2所示的例子中，光源102可以具有照明器202和单色器204。照明器202可以具有连续的发射光谱。照明器202的例子可以包括荧光灯、白炽灯和“白光”发光二极管(LED)。单色器204可以基于棱镜的色散、光栅的衍射、或其他合适的机制。在图2所示的例子中，单色器204具有准直镜206、光栅208、聚焦镜210、以及出射狭缝212。照明器202向准直镜206发射光。准直镜206反射所述光使其成为被导向光栅208的准直光束。光栅208将准直光束衍射至聚焦镜210。光栅208的衍射角度是光的波长的函数。在图2所示的例子中，虚线和虚线分别代表从光栅208衍射的波长为λ1和波长λ2的光。由光栅208衍射的光由聚焦镜210聚焦到聚焦镜210的焦平面上的位置，焦平面取决于光的波长。通过将出射狭缝212放置在聚焦镜210的焦平面所在的位置处，波长可以被选择，即，允许从出射狭缝212射出的波长。在图2中所示的例子中，波长为λ1的光被选择而波长为λ2的光被阻挡了。通过移动出射狭缝212，旋转光栅208，旋转聚焦镜210或对光源102进行其他合适的调节，光源102产生的光的波长可以被改变。
在一个示例中，光源102可以具有可调谐激光器。一个可调谐激光器的例子为通过热改变光学腔的尺寸来改变其产生的光束的波长。在图3所示的实例中，光源102可具有增益介质304、镜302以及位于增益介质304两侧的局部镜306、以及可选择使用的透镜308.镜302、局部镜306和增益介质304形成产生放大的光学腔。激光器的波长取决于光学腔的几何尺寸。因此，通过改变光学腔的几何尺寸，光源102产生的光束的波长可调。改变光学腔几何尺寸的一种方式是改变增益介质304的温度，使其膨胀或收缩。
另一个可调谐激光器的例子是样品光栅分布式布拉格反射器激光器(SG-DBR)。它可以使用游标可调谐布拉格反射镜和相位部分来实现大于50纳米的可调谐范围。
另一个可调谐激光器的例子是外腔激光器，其使用微机电(MEMS结构调节所述光学腔的长度或多棱镜光栅的布置来调节波长。
光源102可能可以在一段波长范围内连续地改变波长。在一个实施例中，光源102的波长范围为700纳米至1微米。在一个实施例中，光源102的波长范围为400纳米至700纳米。光源102可能可以在离散的波长范围中改变波长。
光源102可以产生同时具有多个离散范围内波长的光束。例如，光束可以是具有450纳米波长的蓝光和波长为650纳米的光的混合物。
光子晶体由周期性电介质、金属-电介质、或超导体微结构或纳米结构组成，是以类似于在半导体晶体中的周期性电势通过界定允许和禁止的电子能带来影响电子运动的方式来影响电磁波的传播。光子晶体含有规律性的高介电常数和低介电常数重复区域。取决于光子的波长，光子或者可以通过光子晶体传播或者被其阻挡。光子晶体104可被配置用于引导光束，该光束沿光轴105从光源102发出，所沿方向与光轴105成一个角度。该角度是该光束的波长的函数。
在一个实施例中，光子晶体104是棱镜的形式，其被称为超棱镜。与传统介质的棱镜相比，超棱镜可以以一个更大的折射角度折射光。例如，超棱镜可具有500倍强于常规介质制成的棱镜的色散能力。在超棱镜中，光传播的方向对波长非常敏感。在一个实施例中，角度相对于波长的导数大于1.8°/纳米。在另一实施例中，角度相对于波长的导数大于2.1°/纳米。
部分环面透镜106包含环面的一段。环面是中间有洞的回转曲面，类似于甜甜圈，形成的实心体。回转轴线穿过洞但并不与曲面相交。例如，当一个矩形围绕平行于其边缘之一的轴线旋转时，然后一个空心的矩形截面的环形就形成了。圆环面是环面的特殊情况，其旋转图形为圆。环面的一部分是在两个平面之间的环面的一部分，每个平面都包括回转轴线。两个平面之间的角度称为环形角度。部分环面透镜106的具有包含回转轴线的平面的截面可以是任何合适的形状，例如双凸面的(例如，图1的插图所示)、平凸的、正半月面的、负弯月面的、平凹的、双凹面的。在一个实施例中，该段具有大于90°的环形角度。在一个实施例中，部分环面透镜106被配置成沿一个维度连续地发散光束。在一个实施例中，部分环面透镜106被配置成将光束发散至多个离散的方向。例如，如图1所示，部分环面透镜106可发散光束(例如，具有波长λ1或波长λ2)至多个由沿Z方向间隔开的输出箭头所表示的离散方向。部分环面透镜106被配置成将光束引导到目标场景。
图4示意性地示出一个目标场景108可以使用装置100通过改变来自光源的光的波长来被扫描。在这个例子中，当波长从λ1变为λ2时，光沿-Y方向从图4视图的左侧到右侧扫描目标场景108。
在一个实施例中，从装置100发射的扫描光束是激光束。
图1的例子中，沿X方向，装置100的光源102可以向光子晶体104发射波长λ1的光束。光子晶体104可以沿X-Y平面的方向引导光束，以相对于X方向的角度α1，朝向部分环面透镜106。部分环面透镜106沿Z方向发散光束并将其导向目标场景108。具有波长λ1的发散光束照明在目标场景108中Z方向延伸的线。在不同时间，装置100的光源102可以向光子晶体104发射另一波长λ2的光束。光子晶体104可以沿X-Y平面的方向引导光束，以相对于X方向的角度α2，朝向部分环面透镜106。当波长λ1和λ2不同时，角度α1和α2是不同的。部分环面透镜106沿Z方向发散光束并将其导向目标场景108。具有波长λ2的发散光束照明在目标场景108中沿Z方向延伸的另一条线，该线与波长为λ1的光束照明的线不同，如图4所示。
图5根据实施例示意性地示出了包括装置100的系统500。系统500还可以包括探测器502。装置100可以如上所述发射扫描光束以照明目标场景108。探测器502可被配置为检测一部分由目标场景108散射的光束。
探测器502可具有光学器件504，其(光学器件504)被配置为汇聚由目标场景108散射的部分光束以产生聚焦返回光波。探测器502可以包括光接收器。光接收器可被配置为接收聚焦返回光波，并且该探测器502可被配置为检测入射在光接收器上的聚焦返回光波。在一个实施例中，探测器502可经配置以基于所检测的聚焦返回光波来产生电信号。探测器502还可以包括被配置为处理和分析电信号的信号处理器。
图6A根据一个实施例示意性地示出了可用于图5系统中的光学器件504的透视图。光学器件504可以包括第一柱面透镜602和第二柱面透镜604。第一和第二柱面透镜602和604可以是彼此分开的。
图6B根据实施例示意性地示出了在图5的系统中使用的光学器件504的透视图。根据另一实施例，光学器件504可具有第一和第二柱面透镜602和604。第一和第二柱面透镜602和604可以彼此连接。在图6B的实例中，第一柱面透镜602的矩形面与第二柱面透镜604的矩形面贴合。
在一个实施例中，第一柱面透镜602和第二柱面透镜604可以彼此正交地放置，即，第一柱面透镜602的轴向轴线(例如，图6A和6B中的Z方向上的虚线606)垂直于第二柱面透镜604的轴向轴线(例如，图6A和6B中的Y方向上的虚线608)。在一个实施例中，第一和第二柱面透镜602和604的焦距可以是正的。在图6A和图6B的实例中，第一和第二柱面透镜602和604都可以具有平凸构型。第一柱面透镜602的焦距可以比第二柱面透镜604的焦距短。
柱面透镜可用于将入射光聚焦到线上，或改变图像的纵横比。在一个实施例中，第一柱面透镜602可被配置为在装置100在第二维度上扫描光束时接收返回光波，并且在第二维度上聚焦入射到其上的返回光波。第二柱面透镜604可经配置用于进一步在第一维度上汇聚通过第一柱面透镜602之后的返回光波。
图6C根据实施例示意性地示出了包含图6B中光学器件的图5系统500的俯视图。系统500具有装置100和探测器502。探测器502可具有光学器件，包括第一柱面透镜602和第二柱面透镜604。第一柱面透镜602可以位于目标场景108和第二柱面透镜604之间。在图6C的例子中，第一柱面透镜602的轴向轴线为Z方向(例如，指向X-Y平面外)，以及第一柱面透镜602的曲面朝向目标场景108。第二柱面透镜604的轴向轴线为Y方向，以及第二柱面透镜604的曲面朝向探测器502的光接收器。
当扫描光束照明在目标场景108第一位置上的线时(图6C中的位置1)，来自第一位置的照明线的返回光波可以命中第一柱面透镜602的曲面上不同的位置。该第一柱面透镜602可以将入射到其上的返回光波在Y维度上汇聚。第二柱面透镜604还可以进一步在Z维度上汇聚返回的光波，使得汇聚的返回光波在探测器502的检测范围内并由探测器502的光检测元件接收。
当装置100在Y方向上控制扫描光束以及在目标场景108上的照明线从第一位置向上移动到第二位置(例如，图6C中的位置2)时，来自第二位置的照明线的返回光波可以在与第一位置的照明线的返回光波的击中位置不同的位置击中第一柱面透镜602的曲面。第一柱面透镜602也可以在Y维度上汇聚入射在其上的来自第二位置的照明线的返回光波。第二柱面透镜604还可以在Z维度上汇聚返回的光波，以使来自第二位置的照明线的汇聚的返回光波同样在探测器502的检测范围内并由该探测器502的光检测元件接收。
图7根据实施例示意性地示出了激光雷达700。激光雷达700具有在此描述的系统500。例如，激光雷达700可以安装在车辆上并用作车载激光雷达。激光雷达700可经配置以产生扫描激光束，并在扫描激光束由目标场景108中的物体、建筑物或景观反弹后检测返回激光信号。在一个实施例中，物体、建筑物或景观的距离和形状可以被获得。
尽管本文公开了各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不是限制性的，其真正范围和精神由权利要求指示。

Claims (18)

1.一种装置，包括：
光源，和
光子晶体；
其中所述光源经配置沿光轴向光子晶体引导光束；
其中所述光子晶体经配置沿相对于光轴成一个角度的方向引导所述光束朝向被配置为发散光束的部分环面透镜；
其中所述角度是所述光束的波长的函数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源被配置成在一定波长范围内持续地改变波长。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述波长范围在700纳米至1毫米之内。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述波长范围在400纳米至700纳米之内。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述角度相对于所述波长的导数大于1.8°/纳米。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述角度相对于所述波长的导数大于2.1°/纳米。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述部分环面透镜包括一段环面。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述段具有大于90°的环形角度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述部分环面透镜被配置成沿着一个维度连续地发散所述光束。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述部分环面透镜被配置成发散所述光束至多个离散方向。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述部分环面透镜被配置成将所述光束朝向目标场景。
12.根据权利要求11所述的装置，还包括经配置用于检测一部分被所述目标场景散射的所述光束的探测器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述探测器包括第一柱面透镜和第二柱面透镜，其中所述第一柱面透镜位于目标场景和第二柱面透镜之间。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一柱面透镜被配置为在第一维度上汇聚所述部分光束，其中所述第二柱面透镜被配置为在所述部分光束通过所述第一柱面透镜后在第二维度上汇聚所述部分光束。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一柱面透镜的焦距和所述第二柱面透镜的焦距为正，其中所述第一柱面透镜的焦距小于所述第二柱面透镜的焦距。
16.根据权利要求12所述的装置，其中所述探测器被配置为基于所述部分光束产生电信号。
17.根据权利要求16所述的装置，还包括被配置成处理和分析所述电信号的处理器。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述光束为激光束。
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