CN112437896A

CN112437896A - 光束定向器

Info

Publication number: CN112437896A
Application number: CN201980041827.8A
Authority: CN
Inventors: 西比·普利卡赛里尔; 费德里科·科尔拉特邦迪; 丽贝卡·罗丁; 安德列·塔巴基尼
Original assignee: Baraja Pty Ltd
Current assignee: Baraja Pty Ltd
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-03-02
Also published as: JP2022503412A; EP3811140A4; KR20210024556A; AU2019290021A1; WO2019241825A1; US20210116703A1; EP3811140A1; CA3101633A1

Abstract

本文公开了一种用于基于光检测和测距(LiDAR)的技术促进环境空间轮廓估计的系统和方法。在一种布置中，本公开促进了基于将光在一个维度上(诸如沿着垂直方向)进行引导来进行空间轮廓估计。在另一种布置中，本公开通过进一步将在一个维度上引导的光在另一个维度(诸如沿着水平方向)中进行引导来基于将光在两个维度中进行引导促进空间轮廓估计。

Description

光束定向器

相关申请

本申请涉及2018年6月21日提交的澳大利亚专利申请2018902217，其全部内容通过引用结合到本文。

本申请涉及2018年9月6日提交的国际专利申请PCT/AU2018/050961，其全部内容通过引用结合到本文。

本公开的领域

本公开总体上涉及一种用于将光导向多个方向的系统。更特别地，本公开的实施例涉及基于光的波长来促进对光的方向的控制。

背景

光束定向具有几个用途，包括但不限于LiDAR(光检测和测距)应用，其中光被发送到用于测绘目的的环境中。在二维或三维测绘中，维度之一与从光束的起点开始的点的范围有关，而其它一个或两个维度与光束被操纵跨越的一维或二维空间(例如，在笛卡尔坐标(x，y)或极坐标(r，θ)中)有关。

说明书中对任何现有技术的引用不是且也不应该被认为是承认或是以任何形式暗示该现有技术在任何司法管辖区内构成了公知常识的一部分或者该现有技术可以被合理地预期会被本领域的技术人员理解、认为是与其他现有技术相关的和/或是与其他现有技术相组合的。

本公开的概述

光束定向器的实施例包括第一衍射组件，该第一衍射组件被布置成基于光束的相应的一个或更多个选定波长信道，在第一维度上将光束导向多个方向中的一个或更多个方向。光束定向器包括第二衍射组件，该第二衍射组件包括多个衍射元件。多个衍射元件中的每一个：被取向成其衍射轴与至少一个其他衍射元件的衍射轴成角度地偏移；并且可围绕垂直于衍射轴的旋转轴旋转，以促进在基本上正交于第一维度的第二维度上引导光束。

在一些实施例中，多个衍射元件可围绕公共旋转轴共同旋转。

在一些实施例中，多个衍射元件被取向成其衍射轴最大角度地偏移。多个衍射元件可以包括两个衍射元件，它们的衍射轴彼此成90度角偏移。多个衍射元件可以包括三个衍射元件，它们的衍射轴彼此成60度角偏移。

在一些实施例中，多个衍射元件被布置成在该多个衍射元件旋转时，沿着第二维度顺序地将光束衍射超过衍射阈值。多个衍射元件可以包括周期性，该周期性被优化用于在该多个衍射元件旋转时，使沿第二维度超过衍射阈值的光束方向的占空比(duty cycle)最大化。衍射阈值可以对应于无衍射条件，或者衍射阈值可以对应于一组最小度量，包括以下中的一项或两项：(a)所需的最小角跨度(angular span)和(b)所需的最小输出光功率或光栅透射。

在一些实施例中，周期性被进一步设计成提高对应于沿第一维度的角跨度极限的边缘波长信道处的衍射效率。

在一些实施例中，第一衍射组件包括一个或更多个附加衍射元件，该一个或更多个附加衍射元件不可绕其(它们的)光轴旋转来促进在第一维度上引导光束。

在一些实施例中，在跨第一维度和第二维度的视场上，第二衍射组件具有至少80％的占空比。在一些实施例中，占空比是至少90％。在一些实施例中，占空比是至少95％。

空间剖析系统的实施例包括上文概述和/或本文描述的光束定向器。

一种方法的实施例包括使用第一衍射组件，基于光束的相应的一个或更多个选定波长信道，在第一维度上将光束导向多个方向中的一个或更多个方向，并且通过旋转第二衍射组件中的一个或更多个衍射元件，在基本上正交于第一维度的第二维度上引导光束。第二衍射组件中的衍射元件可以被取向成其衍射轴彼此成角度地偏移。第二衍射组件中的衍射元件可以围绕垂直于衍射轴的旋转轴旋转。

一种光学系统的实施例包括光学部件，该光学部件被布置成将包括多个波长的光引导到具有在第一维度和第二维度上的深度维度的环境中，该第二维度基本上垂直于该第一维度。光学部件包括用于接收光的第一光学子系统，该第一光学子系统包括从色散元件、衍射元件和反射元件中选择的多个元件，该多个元件以基于波长在第一维度上引导接收光的配置进行布置。光学部件还包括用于接收在第一维度上进行引导的光的第二光学子系统，该第二光学子系统包括至少一个衍射元件，该至少一个衍射元件可绕垂直于其衍射轴的旋转轴旋转，以促进在第二维度上引导光束。该光学系统包括接收器，该接收器用于接收响应于来自光学部件的光从环境返回的光，所返回的光包含用于确定在第一维度和第二维度上的深度维度的信息。

在一些实施例中，第一光学子系统中多个元件中的每一个在位置和取向上相对于彼此基本固定。

在一些实施例中，第一光学子系统包括角度相关带通滤波器，其中一个波长信道被反射，而另一个相邻的波长信道通过，从而在信道之间产生角度辨识(angulardiscrimination)。第一光学子系统可以被布置成使得所接收光的至少一部分以对应于带通滤波器的不同通带的不同角度被多次引导到带通滤波器上。第一光学子系统的布置可以包括以除了平行的取向面对带通滤波器的反射镜。

在一些实施例中，第二光学子系统包括多个衍射元件，包括：第一衍射元件，该第一衍射元件可旋转通过第一组位置和第二组位置，该第一组位置实现高于与在第二维度上引导光束相关的阈值的衍射，该第二组位置不实现高于该阈值的衍射；以及第二衍射元件，至少在第一衍射元件位于第二组位置中的一个位置中时，该第二衍射元件在光学系统内被取向成实现高于阈值的衍射。光学系统可以被配置成同步旋转第一衍射元件和第二衍射元件。光学系统可以被配置成围绕基本上相同的旋转轴旋转第一衍射元件和第二衍射元件。

一种用于将光引导到具有在两个维度上的深度维度的环境中的光学系统的实施例，该两个维度包括第一维度和基本上垂直于该第一维度的第二维度，该实施例包括：

波长路由器，该波长路由器用于基于波长将光从第一端口路由到多个第二端口之一，该第二端口被布置成引导路由光跨越自由空间中与环境的第一维度相关联的波长维度；

准直元件，该准直元件跨波长维度设置，并被布置成将来自第二端口的光准直成相应的光束；

旋转衍射元件，该旋转衍射元件被布置成接收来自准直元件的光，并导致所接收的光跨越环境的第二维度的引导，其中跨越第二维度的引导是基于旋转色散元件的旋转位置；以及

接收器，该接收器用于接收从环境返回的光，所返回的光包含用于确定在第一维度和第二维度上的深度维度的信息。

在一些实施例中，光学系统还包括用于选择非相邻波长信道的波长选择器，其中该波长选择器和波长路由器被配置成将一组非相邻波长信道导向多个第二端口中的每一个。

在一些实施例中，波长选择器具有不超过10GHz、或不超过5GHz、或不超过1GHz的自由光谱范围。

在一些实施例中，旋转衍射元件具有第一衍射轴，并且光学系统包括另一个旋转衍射元件，该另一个旋转衍射元件具有与第一衍射轴成角度地偏移的第二衍射轴，其中相对于仅一个衍射元件的占空比，旋转衍射元件组合起来具有增大的占空比，以用于在第二维度上引导光。

一种光束定向器的实施例包括以衬底上的二维图案为特征的衍射元件，该二维图案为衍射元件提供多个角度上偏移的衍射轴，其中衍射组件的衬底可绕旋转轴旋转，以促进引导光束。

在一些实施例中，光束定向器包括多个光束定向器，其中第一光束定向器促进在第一维度上引导光束并包括以衬底上的二维图案为特征的衍射元件，第二光束定向器被布置成在第二维度上将光束导向多个方向中的一个或更多个方向，该第二维度基本上正交于第一维度。第二光束定向器可以在以衬底上的二维图案为特征的衍射元件之前或之后。

从以下通过示例并参考附图给出的描述中，进一步的实施例将变得明显。

附图简述

图1示出了空间剖析系统的布置。

图2示出了在图1的空间剖析系统中使用的光源的示例。

图3A示出了图1中空间剖析系统的更详细的示例。

图3B示出了图3A中光束扩展光学器件的示例。

图4A示出了用衍射成多个衍射级的多个波长信道的垂直入射光照射的衍射元件。

图4B示出了用衍射成角度分离的衍射级的单个波长信道的非垂直入射光照射的另一个衍射元件。

图4C示出了波长操纵元件在第一维度上接收并引导不同波长信道的光的第一示例。

图4D示出了波长操纵元件在第一维度上接收并引导不同波长信道的光的第二示例。

图4E示出了波长操纵元件在第一维度上接收并引导不同波长信道的光的第三示例。

图4F示出了波长操纵元件在第一维度和第二维度上接收并引导不同波长信道的光的第三示例。

图4G示出了图3B的光束扩展光学器件和图4F的波长操纵元件的组合。

图4G-1至图4G-4示出了二维衍射元件的实施例。

图5A示出了光谱梳状滤波器(spectral comb filter)的示例。

图5B示出了用于促进环境空间轮廓估计的系统的一部分的另一种布置。

图5C示出了光束定向器的实施例。

图6A示出了光束定向器的实施例。

图6B示出了模拟结果的曲线图，示出了示例反射滤波器的特性。

图6C示出了反射滤波器和反射镜组合的实施例。

图7示出了根据本公开的光束定向器的布置产生的模拟视场。

图8示出了波长操纵元件中衍射元件的角度位置。

具体实施方式

描述了一种用于将光导向多个方向的系统，适用于光检测和测距(LiDAR)应用，以生成周围环境的三维图像。下文中的“光”包括具有光学频率的电磁辐射，包括远红外辐射、红外辐射、可见辐射和紫外辐射。一般来说，LiDAR涉及将光传输到环境中，并且随后检测该环境反射的光。通过确定光往返于视场内的反射表面的行程所花费的时间，并从而确定到反射表面的距离，可以形成对环境空间轮廓的估计。本公开促进基于在两个基本上正交的维度上引导光的空间轮廓估计。

所描述的系统涉及接收可控波长的光，诸如从波长可调的激光器发射的光，以控制光的方向——下文中称为“波长操纵(wavelength-steering)”的一类技术。衍射元件(诸如衍射光栅或周期性结构)是能够进行波长操纵的光学元件的示例。在一些实施例中，两个这样的衍射元件可以用于基本上正交维度上的光束引导。例如，第一非旋转衍射元件基于光束的选定波长信道促进两个维度中第一个维度(以下称为“第一维度”)上的角跨度(angular span)。围绕平行于其光轴的旋转轴旋转的第二衍射元件基于旋转促进两个维度中第二个维度(以下称为“第二维度”)上的角跨度。然而，存在旋转衍射元件的旋转周期的一部分，其中其衍射轴变得与非旋转衍射元件的衍射轴对准(或近似对准)，从而降低对第二维度上的角跨度有贡献的衍射效率。发明人认识到衍射轴的这种对准(或近似对准)减小了光束方向在第二维度上的占空比。已经发现，在一些示例中，旋转衍射元件仅在旋转周期的大约60％在第二维度中有效地提供角跨度。类似地，在其他实施例中(在该实施例中部署另一波长相关操纵元件以实现第一维度上的操纵，并且部署旋转衍射元件以实现第二维度上的操纵)，仍然存在旋转周期的一部分，在该部分中，对第二维度上的角跨度做出贡献的衍射效率降低。这些其他实施例的示例包括其中波长相关操纵元件是(例如，以光交错器(optical interleaver)或解复用器的形式)的波长路由器的实施例。

基于这种认识，发明人设计了一种光束定向器的布置，以增大光束方向的占空比。不是使用单个旋转衍射元件，而是使用具有角度上偏移的衍射轴的多个旋转衍射元件来在整个旋转周期上提供第二维度上的衍射，从而提供角跨度，或者至少具有增大的占空比。衍射轴中的角度偏移确保在旋转周期的任何部分，至少有一个旋转衍射元件与非旋转衍射元件不对准(或不近似对准)。换句话说，多个旋转衍射元件轮流主要沿第二维度衍射光束。在一个示例中，两个共同旋转衍射元件的衍射轴偏移90度。在另一个示例中，三个共同旋转衍射元件的衍射轴偏移60度。

空间剖析系统的示例

由所公开的光束定向器促进的空间剖析系统可用于监测环境中的相对移动或变化。例如，在自主驾驶交通工具(陆地、空中、水、或太空)的领域中，空间剖析系统可以从交通工具的角度估计交通环境的空间轮廓，包括与任何物体(诸如前方的障碍物或目标)的距离。当交通工具移动时，从处于另一位置的该交通工具处观察到的空间轮廓可能会改变，并且可能被重新估计。作为另一个示例，在码头停靠领域，空间剖析系统可以从集装箱运货船的角度估计码头的空间轮廓，诸如集装箱运货船与码头的特定部分的接近程度，以便于成功停靠而不与码头的任何部分碰撞。作为又一个示例，在视线通信领域(诸如自由空间光学或微波通信)，空间剖析系统可以用于对准的目的。在收发器已经移动或正在移动的情况下，可以连续跟踪收发器，以便对准光束或微波。如另外的示例，可应用的领域包括但不限于工业测量和自动化、现场勘测、军事、安全监测和监视、机器人和机器视觉、印刷、投影仪、照明、攻击和/或淹没(flooding)和/或干扰其他激光和IR视觉系统。

图1示出了空间剖析系统100的布置示例。在PCT专利公开号WO 2017/054036中提供了空间剖析系统的进一步的示例和细节，该专利的内容并入本文。系统100包括光源102、光束定向器103、光检测器104和处理单元105。在图1的布置中，来自光源102的光被光束定向器103在一个维度或两个维度的方向中引导到具有空间轮廓的环境110中。如果出射光击中物体或反射表面，至少一部分出射光可以被物体或反射表面反射(例如散射)(用实线箭头表示)回光束定向器103并被光检测器104接收。处理单元105可操作地耦合到光源102，以用于控制其操作。处理单元105还可操作地耦合到光检测器104，以用于通过确定反射光返回光束定向器103的往返时间来确定到反射表面的距离。

在一个变型中，光源102、光束定向器103、光检测器104和处理单元105基本上搭配在一起。例如，在自主驾驶交通工具的应用中，该搭配允许这些部件紧凑地封装在交通工具内或单个壳体中。在另一变型(未示出)中，光源102、光检测器104和处理单元105基本上搭配在“中央”单元内，而光束定向器103远离中央单元101。在该变型中，中央单元101经由一根或更多根光纤106光学耦合到远程光束定向器103。该示例允许可能仅包括无源部件(诸如无源交叉色散光学器件)的远程光束定向器103被放置在更恶劣的环境中，因为它不太容易受到外部损伤(诸如热、湿气、腐蚀或物理损坏)的影响。在又一变型中(未示出)，空间剖析系统可以包括单个中央单元和多个光束定向器。多个光束定向器中的每一个可以经由相应的光纤光学耦合到中央单元。多个光束定向器可以放置在不同的位置和/或以不同的视场取向(例如，在交通工具的四个角落)。除非另有说明，否则下文中所描述指的是搭配变型，但是技术人员将会理解，通过微小的修改，下文中所描述也可适用于其他变型。

在一种布置中，光源102被配置成在多个波长信道(每个波长信道由其相应的中心波长λ₁、λ₂、…λ_N表示)的一个选定波长信道处提供具有时变强度分布的出射光。图2示出了光源102的一种这样的布置的示例。在该示例中，光源102可以包括波长可调光源(诸如波长可调激光二极管)，其基于施加到激光二极管的一个或更多个电流(例如，注入到激光腔中的一个或更多个波长调谐元件中的注入电流)来提供波长可调的光。在另一个示例中，光源102可以包括宽带光源和可调光谱滤波器，以便以选定波长提供基本连续波(CW)光强。

在图2的示例中，光源102可以包括调制器204，以用于对出射光赋予时变强度分布。在一个示例中，调制器204是集成在激光二极管上的半导体光放大器(SOA)或马赫曾德尔(Mach Zehnder)调制器。施加到SOA的电流可以随时间变化，以随时间改变由激光器产生的CW的放大率，这进而提供具有时变强度分布的出射光。在另一个示例中，调制器204是激光二极管的外部调制器(诸如马赫曾德尔调制器或外部SOA调制器)。在又一示例中，不是包括集成的或外部调制器，而是光源102包括具有增益介质的激光器，激励电流可控地注入该增益介质中，以用于对出射光赋予时变强度分布。

在另一种布置(未示出)中，不是具有波长可调激光器202，而是光源206包括宽带激光器，其后是波长可调滤波器。在又一种布置(未示出)中，光源206包括多个激光二极管，每个激光二极管在相应的范围内波长可调，并且其相应的输出被组合以形成单个输出。可以使用波长组合器(诸如光学分束器或AWG)来组合相应输出。

光源102被配置成在多个波长信道中的选定的一个或更多个波长信道处提供光。在一种布置中，光源102一次提供单个选定的波长信道，诸如波长可调激光器。在这种布置中，所描述的系统100能够基于一次一个选定的波长信道在特定方向上操纵光。在另一种布置中，光源102提供单个或多个选定的波长信道，诸如宽带源，其后是可调滤光器，该可调滤光器的可调通带包括该单个或多个选定的波长信道。在一次使用一个选定的波长信道的情况下，光检测器104可以包括雪崩光电二极管(APD)，其检测在多个波长信道范围内的任何波长。在一次使用多个选定的波长信道的情况下，光检测器104可以包括波长敏感检测器系统，诸如使用多个APD，每个APD专用于特定波长信道，或者对多个波长信道使用单个APD，每个信道基于它们的时变属性(例如，基于不同的正弦调制，如分别对应于1550.01nm、1550.02nm和1550.03nm......的信道的21MHz、22MHz和23MHz......的调制频率)可区分检测。下文的描述涉及通过一次提供单个选定的波长信道的光定向，但是技术人员将可以理解，经过微小的修改，该描述也可以适用于通过一次提供多个选定的波长信道的光定向。

对光源102(诸如波长可调激光器202(例如，其波长))和调制器204(例如，其调制波形)的操作都可以由处理单元105控制。

图3A示出了图1中空间剖析系统的示例300。在该示例中，系统300包括光传输组件302，光传输组件302被配置成将出射光301从光源102传输到光束定向器103，并将反射光303从光束定向器103传输到光检测器104。光传输组件302包括光波导，诸如2D或3D波导形式的光纤或光回路(例如光子集成回路)。来自光源102的出射光被提供到光束定向器103用于引导到环境中。在一些实施例中，由光束定向器103收集的任何反射光可以又被引导到光检测器104。在一种布置中，对于光混合检测，来自光源102的光也经由从光源102到光检测器104的直接光路(未示出)提供给光检测器104以用于光学处理目的。例如，来自光源102的光可以首先进入采样器(例如，90/10光学导向耦合器)，其中，大部分(例如90％)的光被提供给光束定向器103，而其余样本部分(例如10％)的光经由直接路径被提供给光检测器104。在另一个示例中，来自光源102的光可以首先进入光开关的输入端口，并从两个输出端口之一射出，其中一个输出端口将光引导到光束定向器103，而另一个输出端口在由处理单元105确定的时间将光重新导向光检测器104。

光传输组件302包括三端口元件305，用于将从第一端口接收的出射光耦合到第二端口，并将从第二端口接收的光耦合到第三端口。该三端口元件可以包括光循环器或2x2耦合器(其中不使用第四端口)。在一种布置中，光传输组件302包括在光源102和光束定向器103之间的用于在第一选定的波长信道和第二选定的波长信道输送出射光301的出射光学导向路线和在光束定向器102和光检测器104之间的用于在第一选定的波长信道和第二选定的波长信道(同时或在不同时间)输送反射光303的入射光学导向路线303。光学导向路线均可以是光纤路线和光回路路线中的一种。

在一种布置中，如图3A所示，光束定向器103包括光束扩展光学器件304。如图3B所示，光束扩展光学器件304的一个示例包括带尾纤的准直器(pigtailed collimator)312(诸如梯度折射率(GRIN)透镜)，以提供从波导形式到自由空间形式314的出射光301。自由空间形式314的光根据空间衍射光学器件继续发散。在自由空间形式314的光表现出高斯(Gaussian)强度分布的情况下，光遵循高斯衍射光学。光束扩展光学器件304还包括回射器组件316，以接收自由空间形式314的光并将其回射向聚焦元件318。基于聚焦元件318的焦距可调整地放置回射器组件316，以便将发散光束306聚焦成朝向波长操纵元件308的扩展准直光束306。回射器组件316的使用通过折叠光路同时放宽光学对准要求来减少占用面积(footprint)。此外，回射器组件316的使用为轻微的未对准提供了角度容差，因为回射器被设计成使入射光束与出射光束平行。返回参考图3A，实线和虚线表示不同选定的波长信道中的扩展光束，并且为了说明的目的被稍作偏移地示出。实际上，它们在空间上可以基本上重叠或可以不重叠，也可以完全重叠。描绘实线和虚线的图4D至图4G以类似的方式表示。

第一维度上的光束引导

光束定向器103还包括波长操纵元件308，波长操纵元件308基于其波长提供光的角间距。波长操纵元件308被配置成根据波长将扩展光束306引导向沿着第一维度的至少第一方向310A和第二方向310B。虽然为了简单起见，以块的形式示意性地示出了波长操纵元件308，但是其实际形式可以不同，并且至少包括衍射元件，如在图4A至图4E的任一个中示出的，或者可以包括波长路由器，如在图5A中示出的。在包括波长路由器的光束定向器的情况下，向自由空间过渡的位置可以移动到路由器之后，在这种情况下，扩展光学器件304可以相应地位于路由器之后。第一方向310A对应于第一选定波长信道λ_A处的出射光。第二方向310B对应于相同级的第二选定波长信道λ_B处的出射光。

参考图4A和图4B，衍射元件400具有沿y轴(例如，由如图4A中所示的光栅线的方向限定)的衍射轴401和沿x轴的周期性d 404，并且被具有沿z轴的传播分量的光入射，该衍射元件400在x-z平面上呈现角色散。角色散由以下方程决定：

mλ/d＝sin(α)+sin(β)(方程1)

其中，α是相对于z轴的入射角，β是相对于z轴的衍射角，λ是光的波长，并且m是衍射级。每个波长信道都以中心波长(λ_A…λ_B)为中心，并占据相对小的光谱宽度，这取决于许多因素，诸如调制带宽和光源稳定性。对于任何给定的级m，角色散dβ/dλ＝m sec(β)/d可以通过修改周期性d来定制。例如，角色散可以被调整以匹配光的可控波长范围，以对应于波长操纵的期望角跨度。一般来说，周期性d越小，角色散dβ/dλ越大，从而对于给定的角跨度，需要的波长范围越小。对于任何非零级(即m≠0)，这种角色散表现为不同波长信道光的级内角间距。

图4A描绘了被衍射成多个衍射级m＝{+2，+1，0，-1，-2}的包含多个波长信道(λ_A…λ_B)的光306的垂直入射(即，α＝0)场景，而图4B描绘了被衍射成多个衍射级m＝{0，-1}(对应于角度上分离的光束410和412)的包含单个波长信道(λ_A)的光408的非垂直入射(即，相对于垂直入射轴402，α≠0)的场景。在下文中，衍射元件是以衍射光栅的形式来描述的，但是技术人员将会理解，能够进行波长相关衍射的任何其他光学元件都是适用的。例如，在图4A和图4B中，衍射轴401由光栅线限定，光栅线各自沿y轴延伸并沿x轴间隔开光栅周期d，入射到光栅表面上的光在x-y平面中延伸。为了简单起见，图4A和图4B都都将光束示为一条线，而没有指示其光束宽度。技术人员将会理解，在实践中，光束具有一定的光束宽度。

图4C示出了包括多个衍射元件400A、400B和400C的波长操纵元件308C的示例。虽然该示例示出了具有三个衍射元件的布置，但是技术人员应该理解，可以使用更多(例如，4个)或更少(例如，2个)的衍射元件。每个附加的衍射元件可以提供附加衍射，因此不同引导方向的光束的角间距更大。使用单独的衍射元件也可以在设计波长操纵元件308C时允许更大的自由度(例如，通过放宽对抗反射涂层的要求，这选择垂直入射而不是掠入射(grazingincidence)的角度来实现)。然而，每个附加的衍射元件也可能增加衰减(例如，通过光栅的有限衍射效率)。衍射元件400A、400B和400C被配置成根据波长将扩展光束406引导向沿着第一维度的至少第一方向412A和第二方向412B。第一方向412A对应于第一选定波长信道λ_A处的出射光。第二方向412B对应于第一选定波长信道λ_B处的出射光。图4C示出了每个衍射元件产生一个衍射级，但是实际上每个衍射元件可以产生一个或更多个附加级。在每个衍射元件处，光束递增地成角度地色散。与具有例如单个衍射元件的布置相比，使用多个衍射元件增大了角间距。此外，多个衍射元件被布置成使他们的衍射平面对准，以在单向的光束路径中使光束转向(例如，如图4C所示顺时针地通过光栅400A、400B然后是400C，或者逆时针地)。

单向光束路径促进了光路的折叠，并减小了波长操纵元件308的尺寸，并从而减少整个系统占用面积。这种路径折叠是对回射器316的路径折叠的补充和结合。回射器316和波长操纵元件的协同路径折叠提供了节省空间的优点。例如，如图4G所示，回射器316和波长操纵元件308E的组合促进了S形光路，使得通过光束定向器103的输入光和输出光保持在相对侧。

图4D和图4E示出了波长操纵元件(308D和308E)的其他示例。这些其它示例中的每个波长操纵元件包括多个衍射元件和多个色散元件。波长操纵元件308D包括三个衍射元件400A、400B和400C以及两个色散元件414A和414B。波长操纵元件308E包括两个衍射元件412A和412B以及两个色散元件414A和414B。在这些布置中，为了节省空间，一个或多个色散元件与一个或更多个多重衍射元件散布在一起。

图5A示出了波长路由器的实施例，特别地，示出了光交错器800形式的光谱梳状滤波器，以用于在输入(复合)端口和M个输出端口(交错端口)中的一个端口之间传输光，其中M＝2^x，其中x是正整数。在图5A中，M是8。在另一种布置中，M可以是2或16。光交错器800包括多个干涉测量(interferometric)段(例如，802)，每个干涉测量段包括位于段的相应末端的分隔开具有光路差ΔL的两条干涉测量路径的分束器804。分支中的每个段802在下一个分支中被分成两个段。从一个分支到下一个分支的光路差加倍(例如，ΔL、2ΔL、Δ4L…等)。复合端口806被配置成接收或提供在该多个波长信道中的每第M个连续波长信道(例如，λ₁、λ_M+1、λ_2M+1…)中的任何一个处的光。M个交错端口808被配置成分别提供或分别接收在M组波长信道中一组波长信道处的相对应的光。

技术人员将会理解，作为使用光交错器的替代或附加，可以使用其他形式的光谱梳状滤波器(诸例如法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器或马赫-曾德尔干涉仪)或者其他形式的波长路由器(诸如使用一个或更多个阵列化波导光栅(AWG)、中阶梯光栅解复用器(echelle demultiplexers))或任何这些部件的组合。

在另一种布置中，除了使用光交错器800，还可以使用一个反射元件或反射元件阵列(诸如微机电系统或MEMS)来提供维度上的光引导。一个反射元件或反射元件阵列可以被配置成将光导向扩展光学器件(例如，扩展光学器件304)，以用于准直和扩展。这种布置促进在连续角度上进行调整，而不是在光交错器800的情况下在离散角度上进行调整。

在一些实施例中，波长路由器的M个端口处的波长信道可以是M组交错的波长信道，例如，如结合的相关申请PCT/AU2018/050961中所描述的。在一个示例中，其中N个波长信道由它们的中心波长λ₁、λ₂、…λ_N指定，M组的交错波长信道是{λ₁,λ_M+1,…λ_N-M+1}、{λ₂,λ_M+2…λ_N-M+2}、…和{λ_M,λ_2M,…λ_N}。也就是说，在该示例中，每个组包括均匀间隔开的波长信道(在这种情况下，每M个波长信道)，并且所有M组具有相同的间距。在另一个示例中，非相邻波长信道可以是非交错波长信道，但仍然几乎从λ₁扩展到λ_N(例如，{λ₁,…λ_N}、{λ₂,…λ_N-2}、…、和{λ_M,…λ_N-M})。在任一示例中，每组交错波长信道几乎从λ₁扩展到λ_N——光源102的可调范围。

相应地，波长路由器包括对应于M组波长信道的M个第二端口，每个第二端口传送M/N个非相邻信道。在一种情况下，M和N/M中的一个至少是8、16或32。这种情况对应于这样的光束定向器，其中在至少8、16或32个像素(例如，在图2B中跨x轴或y轴生成8、16或32个点)上引导光跨越第一维度和第二维度之一。例如，在上文描述的布置中，M是8。在另一个示例中，M是16。在又一个示例中，M是32。

具有较小自由光谱范围(FSR)的光交错器在每个第二端口传送更多的波长信道。在一个使用情况中，FSR被设计成不大于10GHz。在另一个使用情况中，FSR被设计成不大于5GHz。在又一个使用情况中，FSR被设计成不大于1GHz。例如，在一种布置中，FSR是1GHz。

第二维度上的光束引导

在图4C至图4E中，所有衍射元件都使它们的衍射轴对准相同的方向(例如，沿着y轴)，这在第一维度(例如，沿着x轴)中引起角色散。通过旋转或以其他方式成角度地调整至少一个衍射元件(例如，围绕其光轴或z轴旋转或调整)，并因此旋转其衍射轴(例如，在x-y平面中旋转)，光束可以在基本上垂直于第一维度(例如，沿着x轴)的第二维度(例如，沿着y轴)上被引导。此外，为了改善沿第二维度的衍射的占空比，至少一个可旋转衍射元件由衍射组件(下文中的400X)代替，该衍射组件包括具有角度上偏移的衍射轴的多个可旋转衍射元件。剩余的非旋转衍射元件形成用于第一维度的另一个衍射组件，该另一个衍射组件光学耦合到用于第二维度的衍射组件400X。技术人员将会理解，本文提到的“旋转(rotation)”或“旋转(rotating)”包括任何形式的角度调整，并且不一定是例如恒定或连续旋转的元件。

在一种布置中，如图4F中所示，除了衍射元件400C被包括两个衍射元件420和422(这两个衍射元件具有角度上偏移的衍射轴424和426)的衍射组件400X代替之外，波长操纵元件308F类似于波长操纵元件308D布置。两个衍射元件420和422被配置成围绕垂直于衍射轴424和426的公共旋转轴428共同旋转(即，以相同的速率和相同的旋转方向旋转)。角度偏移允许衍射元件420和422在第二维度上顺序衍射光。在这种布置中，衍射轴424和426彼此最大角度地偏移(即，在所示的两个衍射元件的情况下偏移90度)。通过使衍射轴之间的角度偏移最大化，顺序衍射使第二维度上的衍射占空比最大化，使得衍射组件400X的至少一个衍射元件提供足够的角色散(诸如超过衍射阈值)，而另一个衍射元件提供很少的角色散或不提供角色散。此外，周期性d可以被优化，以使沿第二维度的衍射超过衍射阈值的占空比最大化。已经发现，使用具有最大角度上偏移的衍射轴的多个衍射元件可以将第二维度的光束方向的占空比从大约60％增大到接近100％，从而减少顺序衍射中被引导的光下降到低于衍射阈值的任何间隙。衍射阈值可以对应于特定的衍射条件。在一种布置中，衍射阈值对应于无衍射条件，诸如在旋转周期的一(些)部分中，其中方程1没有解，因此没有衍射。在另一种布置中，衍射阈值对应于最小度量集，诸如(a)所需的最小角跨度和/或(b)所需的最小输出光功率或光栅透射中的一个或更多个。例如，衍射阈值对应于以输出光功率引导的光，以检测水平轴+/-60度和垂直轴+/-15度的视场中超过200米的范围。衍射阈值将占空比定义为空间剖析系统在上述规范内执行的操作时间的分数。

技术人员将理解，衍射轴可以小于最大角度地偏移(例如，在图示的两个衍射元件的情况下是85度、80度或75度)，以在旋转周期期间保持足够的衍射。此外，技术人员将理解，多个衍射元件420和422可以绕其自身的旋转轴彼此独立地旋转，而不是绕公共旋转轴428共同旋转。在其他布置中(未示出)，衍射组件400X可以包括两个以上的衍射元件，诸如三个衍射元件，在这种情况下，彼此之间的最大角度偏移是60度。

在另一种布置中，衍射元件400C或衍射组件400X可以由2D单衍射元件400Y代替，例如，如图4G-1所示的2D光栅。与“线状”图案沿一个方向周期性重复的传统1D衍射光栅不同，为2D光栅400Y创建了设计的二维面形(bi-dimensional profile)，其中周期性在两个维度上重复。

与1D衍射光栅的单个衍射轴相反，二维面形在单个光栅内产生多个衍射轴。

在一些实施例中，所设计的二维面形被选择成在一定角度范围内增大或最大化占空比和/或增大或最大化光栅的效率。要进行最大化的效率可以针对第一衍射级(单独地或者与最小化一个或更多个其他衍射级相结合地最大化)。主动占空比内的角度范围可以对应于空间剖析系统内光栅移动的角度范围。在一些实施例中，角度范围接近360度，例如在光栅通过围绕其旋转轴顺时针或逆时针枢转(spin)(包括在一个方向上枢转然后在另一个方向上枢转)而旋转的实施例中。在其他实施例中，角度范围小于360度。

在一些实施例中，旋转轴可以与光栅表面正交。在其他实施例中，旋转轴可以偏离与光栅表面正交的线，在这种情况下，光栅将在枢转时摆动。

期望的衍射级被效率优化的角度范围可以忽略一个或更多个子范围。在一些实施例中，优化排除了对角线。例如，面形可以同时针对-40至+40、以及+50至+130、以及+140至+220和+230至+310度的角度范围进行优化。排除对角线可以应用于形成为行和列的二维阵列形式的光栅面形。排除的对角线或其他子范围(如果提供了)可能比+/-10度更窄或更宽，例如，+/-1直到+/-20度或其间的任何值。

在一些实施例中，设计的二维面形可以重建或近似彼此旋转偏移的两个传统光栅(例如，衍射组件400X的两个光栅)的衍射。在一个示例中，设计的二维面形可以是如图4G-1所示的具有正方形横截面的柱子的2D周期性序列。在其他示例中，可以实现周期性2D图案的不同拓扑和各种横截面形状，例如，如图4G-2(具有正方形横截面的周期性孔的两种拓扑)、图4G-3(具有圆形横截面的周期性柱的两种拓扑)和图4G-4(具有圆形横截面的周期性孔)所示。

2D光栅的制造过程可以类似于传统的衍射光栅。在一个实例中，在介电材料(诸如熔融石英)的衬底上，可以沉积几层以不同折射率为特征的材料，以在表面界面处产生期望的折射率变化。层的数量和厚度的优化可以变化，并且与光的波长范围、入射角和期望的衍射模式相关。

设计的图案可以被蚀刻在电介质衬底的表面之一上。在其他实施例中，图案可以通过沉积(或任何其他合适的技术)在两个表面上形成。

技术人员将会理解，图案的设计可以通过柱/孔的厚度、位置和横截面尺寸来优化。本领域技术人员还将理解，衬底可以是透射或反射材料，并且光栅将相应地分别透射或反射衍射的光束。

在透射衍射光栅的一些实施例中，在2D光栅的一个或两个表面上提供抗反射(AR)涂层。例如，当设计的图案在衍射光栅的一侧上时(例如，通过沉积和蚀刻)，AR涂层可以在衬底表面的另一侧上。在一些实施例中，在沉积和/或蚀刻图案之前，AR涂层已经存在于衬底的一个表面上。

虽然上面参考图4G-1至图4G-4描述的布置涉及矩形阵列，但是在其他实施例中，采用不同的2D面形。例如，在一些实施例中，面形是极阵列的形式。另外，衬底的几何形状(在示例中被描绘为正方形或矩形)可以不同。例如，在一些实施例中，衬底呈圆盘形状。

图5B示出了包括光交错器800、N个波长操纵元件308和扩展光学器件304的示例光束定向器103。波长操纵元件308各自接收来自相应交错端口的光，这些交错端口在第一维度上空间偏移。波长操纵元件308各自将光在第二维度上进行引导(例如，进出页面)，而扩展光学器件304使来自光束定向器103的引导光成角度，以进一步在第一维度上进行引导(例如，上下页面)。波长操纵元件308可以各自包括一个或更多个衍射元件，例如如参考图4A至图4F中任何一个所描述的。在一些实施例中，一个或更多个衍射元件包括如本文所描述的旋转衍射元件。在一些实施例中，旋转衍射元件是衍射组件400X，包括两个衍射元件420和422，它们具有角度上偏移的衍射轴424和426，如上所述。

图5C示出了图1的光束定向器103的另一个实施例。来自光源102的光501包括例如N个波长信道中选定的一个波长信道。光源102可以是波长可调激光器，允许经由电子控制信号来选择期望的波长信道。

如图5C所示，光束定向器103包括波长路由器502(例如，光交错器或解复用器)，其可以是本文所描述的波长路由器的任何实施例或类似地操作。在该实施例中，波长路由器502向自由空间输出光，例如，从沿着波长路由器502的边缘或表面定位的输出端口502-1至502-M发射光。502的输出端口在物理上被布置成引导经路由的光跨越第一维度。例如，光可以沿着第一轴路由，第一轴可以是例如垂直方向。

来自输出端口的扩展光503被跨波长维度设置的准直元件接收。例如，如果波长维度是垂直轴，则准直透镜504可以跨垂直轴设置。准直透镜504接收扩展光并产生相应的准直光505。

来自准直透镜504的准直光505被衍射元件(例如，旋转光栅506)接收。在其他实施例中，在包括多于一个光栅的光学子系统(例如，如参考图4A至图4F描述的任何布置)上，可以接收准直光505。光栅或光学子系统被配置成操纵接收的准直光505跨越第二维度。在光学子系统的情况下，也可以通过光学子系统的一个或更多个部件来提高跨越第一维度的操纵。例如，具有旋转光栅的图4F的光学子系统具有操纵以跨越第一维度和第二维度的能力。参考图5C，光栅506在方向A上的旋转可以使光被操纵以跨越第二维度，该光已经被波长路由器502操纵而跨越第一维度。在一些实施例中，还包括类似于光束扩展光学器件304的光束扩展光学器件，例如用于跨越第一维度的操纵范围。

图6A示出了图1的光束定向器103的另一个实施例。来自光源102的光601包括例如N个波长信道中选定的一个波长信道。与前述示例实施例相同，光源102可以是波长可调激光器，允许经由电子控制信号来选择期望的波长信道。

光601被光学耦合到光束定向器103或光束定向器103的一部分的准直透镜602接收，以产生准直光603。准直光603由滤波器元件接收，例如波长和/或角度相关的滤波器，例如薄膜反射滤波器604。

来自反射滤波器604的反射光被反射镜605接收，反射镜605将光返回到反射滤波器604。在一些实施例中，反射滤波器604是角度相关的，并且相对于反射镜605布置，使得反射滤波器604以与准直光603不同的角度接收返回光606。在一种布置中，反射镜605被布置成从反射滤波器604发散。发散角可以是大约5度、大约10度或大约20度或其间的任何值。通过反射滤波器604的不同波长处于不同的角度，形成固态视场。输出的分辨率是滤波器带通范围(在参考图6A讨论的示例中是0.45nm)和带通滤波器相对于反射镜的角度的函数。

图6B是模拟结果的曲线图，示出了可以适合用作图6A的反射滤波器604的示例反射滤波器的特性。从该曲线图可以看出，在根据该信息模拟的C波段上，至少15度的视场是可能的。

图6C示出了带通滤波器楔形物700形式的反射滤波器和反射镜组合的另一个实施例。带通滤波器楔形物700包括光学透明或基本上光学透明材料的楔形主体701。主体701包括入口区域702，入口区域702可以涂有抗反射涂层。来自光源102的光在入口区域702进入带通滤波器楔形物700。带通滤波器703沿着楔形物的一侧设置，例如通过微结构沉积，在该示例中与入口区域702相对。带通滤波器703具有与上面讨论的反射滤波器604相同或相似的属性，根据光在滤波器上的入射角度使不同的波长通过。反射镜704(例如反射镜涂层)设置在楔形物的另一侧上，与带通滤波器703相对。

在替代实施例中，反射滤波器604或带通滤波器703是滤波器阵列，由此相邻的滤波器使不同的波长通过。在这些替代实施例中，入射角可以随着滤波器和反射镜之间的每次反射而改变，也可以不改变。

已经被光学滤波器操纵而跨越第一维度的光607可以被另一个操纵元件接收，以操纵该光来跨越第二维度。例如，光607可以被旋转光栅608接收。旋转光栅608可以以类似于参考图5C描述的旋转光栅506的方式操作。

在一些实施例中，旋转光栅的旋转由图1的处理单元105控制。处理单元105向马达或微电机，例如直流微电机(未示出)提供控制信号。处理单元105因此作为马达控制器操作。在一些实施例中，控制简单地是开(ON)或关(OFF)，也就是说，使旋转光栅旋转或不旋转。在其它实施例中，转速也在两种或更多种具有不同相关转速的不同可选模式之间进行控制。应当理解，处理单元105的功能可以通过计算机硬件来执行，该计算机硬件或者集中在处理设备上，或者分布在多个处理设备上，并且在设备之间具有适当的通信。

在一些实施例中，旋转光栅的旋转位置由位置传感器测量或以其他方式监控。在一个示例中，编码光盘随光栅旋转，并由作为光学传感器的传感器测量，以提供指示光栅旋转位置的信号。在另一个示例中，磁性或电磁元件与光栅一起旋转，并且传感器是霍尔效应(Hall effect)传感器，其生成指示光栅旋转位置的信号。在另一个示例中，传感器测量通过光栅的零级光的强度，该强度与光栅的旋转位置相关。例如，参考图4B，光强度传感器450可以沿着路径m＝0定位。在另一个示例中，光栅包括可由传感器检测的一个或更多个基准标记(例如，光栅上的标记、光栅图案、设置在光栅上或光栅中的磁性元件等)。信号然后被传送到处理单元105，处理单元105部分地基于该信号进行处理。例如，处理单元105(或其他计算系统)可以预编程有或能够以其他方式访问将信号值与来自系统的光的角度转向相关联的信息，使得能够通过处理单元105或接收相关数据(例如来自处理单元105)的另一计算系统来构建空间轮廓。

在一种布置中，基于波长信道选择的沿第一维度的角跨度大约是30度，而基于衍射组件400X的旋转的沿第二维度的角跨度大约是90度。图7示出了根据本公开的通过光束定向器的布置来操纵输入光束所产生的模拟视场900。图7中的视场由各个点组成，其中的每个点表示输入光束被操纵的方向。这些点如此精细，以至于它们在图7中显示为连续的斑块。不同的点组902、904和906表示不同范围的光栅旋转角度。例如，组902和906各自表示导致光束方向接近水平视场(即，在第二维度上)的任一极限的光栅旋转角度，而组904表示导致光束方向接近水平视场(即，在第二维度上)的中心的光栅旋转角度，并且在每个组内，单个点表示组成垂直视场(即，在第一维度上)的单个波长信道。基本上矩形的轮廓912表示基本上矩形的视场。此外，轮廓912还宽松地标记满足衍射阈值的波长信道和光栅旋转角度。轮廓912之外是不满足衍射阈值的组908和910。

当入射角等于利特罗角(Littrow angle)时，衍射光栅发生最有效的衍射(通过透射测量)。随着入射角偏离该角度(例如，由于第一维度上的光束方向和/或衍射组件的旋转)，衍射效率降低。图8示出了在沿着第一维度的角跨度的+/-15度之间的各种相对入射角下(相对于利特罗角)，一种布置的衍射效率。“边缘”波长信道(即，对应于沿第一维度在大约-15度到大约+15度的角跨度极限的波长信道)在衍射效率和以及因此范围方面比非边缘波长信道更容易受到影响。为了提高边缘波长信道的衍射效率，可以调整衍射元件的周期性d。周期性d可以被优化以最大化衍射效率，从而最大化范围。例如，图8示出了当周期性d从600线/mm增大到800线/mm时，边缘波长信道处的衍射效率从大约30-40％提高到大约80-90％。

现在已描述了本公开的多个布置，对于本领域技术人员来说应当明显的是，所描述的布置中的至少一个布置具有以下优点中的一项或更多项：

·衍射的占空比通过利用具有角度上偏移的衍射轴的多个旋转色散元件来提高。

·增大的占空比减少了视场弯曲的翘曲。

·降低制造成本。

·简化了安装和对准过程。降低破坏或损坏光栅的风险。

应当理解，在本说明书中公开和定义的本发明延伸到在文本或附图中提及或明显可见的两个或更多个单独特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选方面。

Claims

1.一种光束定向器，包括：

第一衍射组件，所述第一衍射组件被布置成基于光束的相应的一个或更多个选定波长信道，在第一维度上将光束导向多个方向中的一个或更多个方向；以及

第二衍射组件，所述第二衍射组件包括多个衍射元件，每个衍射元件：

被取向成其衍射轴与至少一个其他衍射元件的衍射轴成角度地偏移；并且

能够绕垂直于其衍射轴的旋转轴旋转，以促进在基本上正交于所述第一维度的第二维度上引导光束。

2.根据权利要求1所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件是围绕公共旋转轴可共同旋转的。

3.根据权利要求1或2所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件被取向成使得其衍射轴最大角度地偏移。

4.根据权利要求3所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件包括两个衍射元件，所述两个衍射元件的衍射轴彼此成90度角偏移。

5.根据权利要求3所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件包括三个衍射元件，所述三个衍射元件的衍射轴彼此成60度角偏移。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件被布置成在所述多个衍射元件旋转时，沿着所述第二维度顺序地将光束衍射超过衍射阈值。

7.根据权利要求6所述的光束定向器，其中，所述多个衍射元件包括周期性，所述周期性被优化用于在所述多个衍射元件旋转时，使沿所述第二维度超过所述衍射阈值的光束方向的占空比最大化。

8.根据权利要求6或7所述的光束定向器，其中，所述衍射阈值对应于非衍射条件。

9.根据权利要求6或7所述的光束定向器，其中，所述衍射阈值对应于一组最小度量，包括以下中的一项或两项：(a)所需的最小角跨度和(b)所需的最小输出光功率或光栅透射。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的光束定向器，其中，所述周期性被进一步设计成提高对应于沿所述第一维度的角跨度极限的边缘波长信道处的衍射效率。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光束定向器，其中，所述第一衍射组件包括一个或更多个附加衍射元件，所述一个或更多个附加衍射元件不能绕其光轴旋转来促进在所述第一维度上引导光束。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光束定向器，其中，在跨所述第一维度和第二维度的视场上，所述第二衍射组件具有至少80％或至少90％或至少95％的占空比。

13.一种光学系统，包括：

光学部件，所述光学部件被布置成将一个或更多个光束中包括多个波长的光引导到环境中，所述环境具有在第一维度和第二维度上的深度维度，所述第二维度基本上垂直于所述第一维度，所述光学部件包括：

用于接收光的第一光学子系统，所述第一光学子系统包括从色散元件、衍射元件和反射元件中选择的多个元件，所述多个元件以基于波长在所述第一维度上引导接收光的配置进行布置；以及

用于接收在所述第一维度上进行引导的光的第二光学子系统，所述第二光学子系统包括至少一个衍射元件，所述至少一个衍射元件能够绕垂直于其衍射轴的旋转轴旋转，以促进在所述第二维度上引导光束；以及

接收器，所述接收器用于接收响应于来自所述光学部件的光从环境返回的光，所返回的光包含用于确定在所述第一维度和所述第二维度上的深度维度的信息。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述第一光学子系统中的所述多个元件中的每一个在位置和取向上相对于彼此基本固定。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的光学系统，其中，所述第一光学子系统包括角度相关带通滤波器，其中一个波长信道被反射，而另一个相邻的波长信道通过，从而在信道之间产生角度辨识。

16.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述第一光学子系统被布置成使得所述接收光的至少一部分以对应于所述带通滤波器的不同通带的不同角度被多次引导到所述带通滤波器上。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述第一光学子系统的布置包括以除了平行的取向面对所述带通滤波器的反射镜。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的光学系统，其中，所述第二光学子系统包括多个衍射元件，该多个衍射元件包括：

第一衍射元件，所述第一衍射元件能够旋转通过第一组位置和第二组位置，所述第一组位置实现高于与在所述第二维度上引导光束相关的阈值的衍射，所述第二组位置不实现高于所述阈值的衍射；以及

第二衍射元件，至少在所述第一衍射元件位于所述第二组位置中的一个位置中时，所述第二衍射元件在所述光学系统内被取向成实现高于所述阈值的衍射。

19.根据权利要求18所述的光学系统，所述光学系统被配置成同步旋转所述第一衍射元件和所述第二衍射元件。

20.根据权利要求19所述的光学系统，所述光学系统被配置成围绕基本上相同的旋转轴旋转所述第一衍射元件和所述第二衍射元件。

21.根据权利要求13至17中任一项所述的光学系统，其中，所述第二光学子系统包括透射或反射二维面形光栅。

22.根据权利要求21所述的光学系统，其中，所述双向面形光栅包括第一衍射轴和第二衍射轴，所述第二衍射轴与所述第一衍射轴成角度地偏移，从而基本上横向于所述第一衍射轴。

23.根据权利要求22所述的光学系统，其中，所述二维面形光栅具有优化所述第一衍射轴和所述第二衍射轴两者的第一衍射级的面形。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的光学系统，其中，所述双向面形光栅包括跨所述光栅分布的分立衍射元件，所述分立衍射元件跨第一维度并跨不同于所述第一维度并与所述第一维度成角度偏移的第二维度周期性地分布。

25.一种用于将光引导到具有在两个维度上的深度维度的环境中的光学系统，所述两个维度包括第一维度和基本上垂直于所述第一维度的第二维度，所述系统包括：

波长路由器，所述波长路由器用于基于波长将光从第一端口路由到多个第二端口之一，所述第二端口被布置成引导路由光跨越自由空间中与环境的所述第一维度相关联的波长维度；

准直元件，所述准直元件跨所述波长维度设置，并被布置成将来自所述第二端口的光准直成相应的光束；

旋转衍射元件，所述旋转衍射元件被布置成接收来自所述准直元件的光，并导致所接收的光跨越环境的所述第二维度的引导，其中跨越所述第二维度的引导是基于所述旋转衍射元件的旋转位置；以及

接收器，所述接收器用于接收从环境返回的光，所返回的光包含用于确定在所述第一维度和所述第二维度上的深度维度的信息。

26.根据权利要求25所述的光学系统，还包括用于选择非相邻波长信道的波长选择器，其中所述波长选择器和所述波长路由器被配置成将一组非相邻波长信道导向所述多个第二端口中的每一个。

27.根据权利要求25或权利要求26所述的光学系统，其中，所述波长选择器具有不超过10GHz、或不超过5GHz、或不超过1GHz的自由光谱范围。

28.根据权利要求25至27中任一项所述的光学系统，其中，所述旋转衍射元件具有第一衍射轴，并且所述光学系统包括另一个旋转衍射元件，所述另一个旋转衍射元件具有与所述第一衍射轴成角度地偏移的第二衍射轴，其中相对于仅一个衍射元件的占空比，所述旋转衍射元件组合起来具有增大的占空比，以用于在所述第二维度上引导光。

29.根据权利要求25至27中任一项所述的光学系统，其中，所述旋转衍射元件包括透射或反射二维面形光栅。

30.根据权利要求29所述的光学系统，其中，所述双向面形光栅包括第一衍射轴和第二衍射轴，所述第二衍射轴与所述第一衍射成角度地偏移，从而基本上横向于所述第一衍射轴。

31.根据权利要求30所述的光学系统，其中，所述二维面形光栅具有优化所述第一衍射轴和所述第二衍射轴两者的第一衍射级的面形。

32.根据权利要求29至31中任一项所述的光学系统，其中，所述双向面形光栅包括跨所述光栅分布的分立衍射元件，所述分立衍射元件跨第一维度并跨不同于所述第一维度并与所述第一维度成角度偏移的第二维度周期性地分布。

33.一种光束定向器，包括以衬底上的二维图案为特征的衍射元件，所述二维图案为所述衍射元件提供多个角度上偏移的衍射轴，其中所述衍射组件的衬底是绕旋转轴可旋转的，以促进引导光束。

34.根据权利要求33所述的光束定向器，包括多个光束定向器，第一光束定向器促进在第一维度上引导光束并包括以衬底上的二维图案为特征的所述衍射元件，以及第二光束定向器被布置成在第二维度上将光束导向多个方向中的一个或更多个方向，所述第二维度基本上正交于所述第一维度。

35.根据权利要求33或权利要求34所述的光束定向器，其中，所述衍射轴最大角度地偏移。