CN112859036A - 光束偏折器、光束偏折装置和激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于激光雷达的光束偏折器，包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极彼此相对，并且其上可施加电压；第一透光液体和第二透光液体，所述第一透光液体和第二透光液体封装在所述第一电极和第二电极之间，所述第一透光液体和第二透光液体之间具有交界面，所述交界面的角度可随着所述电压的变化而变化。在本发明的一些实施例中，由于不具有机械振动部件，因此可避免相应的损耗和可靠性问题，理论上可达到的偏转范围较大，可实现连续或阶梯式的角度变化。另外，该光束偏折器功耗低，便于形成阵列结构，等比例缩放后有助于性能提升。理论上可将响应时间降低至毫秒级或更低，便于集成，有进行大规模生产的潜力。
Description
技术领域
本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种光束偏折器、光束偏折装置以及激光雷达。
背景技术
作为智能车环境感知硬件系统的重要一环，激光雷达(LIDAR)在自动驾驶中承担了路沿检测、障碍物识别以及实时定位与绘图等重要任务。LIDAR系统包括激光发射系统和一个接收系统。激光器发射系统产生并发射光脉冲，照射到物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。激光雷达能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。由于具有测量速度快、精度高和测距远等优点，激光雷达在智能车上得到了广泛应用。
在激光雷达中，经常需要对波束进行整形或成形，常见的技术包括衍射光栅、液晶、电光陶瓷晶体、摆镜、振镜扫描等技术。其中衍射光栅中使用了非硅基基底，与标准的集成电路工艺不能天然兼容；液晶技术中，温度范围和稳定性较差，需要温度控制，同时液晶具有偏振选择性，而接收光一般都存在不同程度退偏，由于一般收发都需要扫描器，采用液晶方式根据目标物退偏程度不同接收效率会有不同程度下降；电光陶瓷晶体技术中，能够实现的偏转角度小，所需的电压极高。摆镜、振镜技术中，具有宏观的运动并且存在一定的机械失效风险。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种可用于激光雷达的光束偏折器，包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极彼此相对，并且其上可施加电压；
第一透光液体和第二透光液体，所述第一透光液体和第二透光液体封装在所述第一电极和第二电极之间，所述第一透光液体和第二透光液体之间具有交界面，所述交界面的倾角可随着所述电压的变化而变化。
根据本发明的一个方面，所述第一电极与所述交界面之间的夹角为第一角度θ1，所述第二电极与所述交界面之间的夹角为第二角度θ2，θ1+θ2＝π。
根据本发明的一个方面，所述第一电极和/或第二电极上覆盖有介质层和/或疏水层，所述第一电极的第一电压V1和第二电极的第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一透光液体和第二透光液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
根据本发明的一个方面，所述的光束偏折器还包括位于所述第一电极和第二电极之间的一端处的透明衬底和位于另一端处的上盖板，所述透明衬底允许光束入射，其中所述透明衬底包括ITO玻璃。
根据本发明的一个方面，所述上盖板为透明的，入射的光束经过所述交界面后可通过所述上盖板出射。
根据本发明的一个方面，所述上盖板为反射式的，入射的光束经过所述交界面后被所述上盖板反射，从所述第一电极和第二电极之间的所述一端处出射。
根据本发明的一个方面，所述第一透光液体为极性液体，包括水、水溶液、乙醇中的一种或多种，所述第二透光液体为非极性液体，包括硅油、烷烃中的一种或多种。
根据本发明的一个方面，所述的光束偏折器还包括透明的底部电极，所述底部电极接地。
根据本发明的一个方面，所述的光束偏折器还包括第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极位于所述第一电极和第二电极之间，所述第三电极上可施加第三电压，所述第四电极上可施加第四电压，以调节所述第一透光液体和第二透光液体之间交界面的倾角，以实现二维光束偏转。
本发明还提供一种光束偏折装置，包括：多个如上所述的光束偏折器。
根据本发明的一个方面，所述多个光束偏折器的第一电极互连在一起，所述多个光束偏折器的第二电极互连在一起。
根据本发明的一个方面，所述的光束偏折装置还包括底部电极，底部电极形成所述多个光束偏折器的第一电极的互连、和/或所述多个光束偏折器的第二电极互连。
根据本发明的一个方面，每个光束偏折器配置成光束从该光束偏折器的第一电极和第二电极之间的端部处入射，
或者，每个光束偏折器配置成光束从该光束偏折器的第一电极和第二电极中的一个处入射，从另一个处出射。
本发明还提供一种可用于激光雷达的发射单元，包括：
光源，配置成可发射出光束；
如上所述的光束偏折器，设置在所述光源的下游，并可接收所述光源发射出的光束，经偏折后出射。
根据本发明的一个方面，所述发射单元包括多个光源和与所述光源数目相对应的光束偏折器，其中所述光源与所述光束偏折器一体集成制造。
本发明还提供一种可用于激光雷达的接收单元，包括：
如上所述的光束偏折器，所述光束偏折器，配置成可接收来自激光雷达外部的反射光束并对其进行偏折；
光电探测器，设置在所述光束偏折器的光路下游，并配置成可接收由所述光束偏折器偏折的反射光束。
根据本发明的一个方面，所述接收单元包括多个光束偏折器和与所述光束偏折器数目相对应的光电探测器，其中所述光电探测器与所述光束偏折器一体集成制造。
本发明还提供一种激光雷达，包括如上所述的光束偏折器。
根据本发明的一个方面，所述的激光雷达还包括激光器和发射透镜，所述光束偏折器设置在所述激光器和发射透镜之间，其中所述激光器配置成发射出激光束，所述激光束经所述光束偏折器偏折后，入射到发射透镜上，经所述发射透镜整形并出射。
根据本发明的一个方面，所述的激光雷达还包括光电探测器和接收透镜，所述光束偏折器设置在所述光电探测器和接收透镜之间，其中所述接收透镜配置成可接收来自激光雷达外部的反射光线，并汇聚到所述光束偏折器上，经所述光束偏折器偏折后入射到所述光电探测器上。
本发明还提供一种如上所述的光束偏折器的控制方法，包括：
接收光束偏折参数；和
向所述第一电极和第二电极分别施加第一电压V1和第二电压V2，调节所述第一透光液体和第二透光液体之间的交界面的倾角，以符合所述光束偏折参数。
根据本发明的一个方面，所述第一电极与所述交界面之间的夹角为第一角度θ1，所述第二电极与所述交界面之间的夹角为第二角度θ2，θ1+θ2＝π。
根据本发明的一个方面，所述第一电极和/或第二电极上覆盖有介质层和/或疏水层，所述第一电极的第一电压V1和第二电极的第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一透光液体和第二透光液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
在本发明的一些实施例中，由于不具有机械振动部件，因此可避免相应的损耗和可靠性问题，理论上可达到的偏转范围较大，可实现连续或阶梯式的角度变化。采用液体棱镜的激光雷达没有明显的宏观运动，接近全固态雷达，系统的集成度和机械可靠性高，同时液体棱镜则没有这一点偏振选择性。另外，该光束偏折器功耗低，便于形成阵列结构，等比例缩放后有助于性能提升。理论上可将响应时间降低至毫秒级或更低，便于集成，有进行大规模生产的潜力。另外，本发明的实施例中优化了结构与工艺方案，减少了工艺复杂度，提高其工艺可靠性。本发明实施例中采用了电润湿阵列的液体棱镜，不具有偏振选择性，而且液体棱镜单元尺寸小到100um左右时，预计状态切换速度可以到100us左右，是显著快于液晶的响应速度(通常数ms)。另外，液晶阵列偏转角较大时会存在光栅旁瓣的，而液体棱镜直接是界面偏转，不存在该问题(尤其是当激光器与单个液体棱镜单元一一对应时)。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种光束偏折器；
图2A、2B和2C示出了通过改变第一电压和第二电压来控制交界面的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的一种光束偏折装置；
图4示出了图3的光束偏折装置的俯视图；
图5示出了根据本发明另一个实施例的光束偏折装置的结构示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的一种光束偏折器的控制方法；
图7示出了根据本发明一个实施例的可用于激光雷达的发射单元的示意图；
图8示出了根据本发明一个优选实施例的激光雷达。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种光束偏折器1，其可用于激光雷达中对光束进行成形或者偏折。下面参考图1详细描述。
如图1所示，光束偏折器1包括：衬底11、第一电极12和第二电极13，第一电极12和第二电极13分别设置在衬底11上，二者彼此相对，并且其上可独立地施加第一电压V1和第二电压V2。衬底11通常由不导电的材料制成，例如可以制造成截面大致为长方形或者正方形的筒体，在筒体的两个相对的内表面上设置电极，例如镀上金属箔层，作为第一电极12和第二电极13。
第一透光液体L1和第二透光液体L2封装在所述第一电极12和第二电极13之间，第一电极12和第二电极13彼此相互平行，所述第一透光液体L1和第二透光液体L2之间具有交界面14，交界面14的倾角(也就是交界面14与垂直于所述第一电极12和第二电极13的延伸方向的平面之间的夹角)可随着第一电极12与第二电极13之间的电压的变化而变化。
如图1所示，光束偏折器1还可包括透明的底部电极15，底部电极15可以接地，第一电极12和第二电极13连接到两个独立的电压信号，即第一电压V1和第二电压V2。
根据本发明的一个优选实施例，所述光束偏折器1还包括依次覆盖在所述第一电极12和第二电极13上的介质层17和疏水层18。其中介质层17例如由Su-8，Parylene C等材料制成。
下面描述如何通过控制第一电压V1和第二电压V2来控制交界面14的倾角。
根据电润湿机理，在固液气或两种不同液体与固体的三相交界面处，其接触角会随着施加在固液间电容上的电压而发生变化。
其中，γLO为两层液体的交界面的表面张力系数，C为侧壁介质的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角，θ为施加电压后的角度。
参考图2A进行描述。如图2A中左侧的部分处，第一透光液体L1、第二透光液体L2以及第一电极12(连同其上的的介质层17和疏水层18)三者的交界面处，所形成的角度θ1满足关系：
在图2A中右侧的部分处，第一透光液体L1、第二透光液体L2以及第二电极13(连同其上的的介质层17和疏水层18)三者的交界面处，所形成的角度θ2满足关系：
根据本发明的一个优选实施例，当满足以下关系时，两液体的分界面14呈直线：θ1+θ2＝π。即当两个角度之和为π时，可以将液体分界面“拉”为直线或者相当接近直线。
根据本发明的一个优选实施例，第一电压V1和第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一液体和第二液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
因而可以通过调节两侧的第一电压V1和第二电压V2，使得两种液体交界面处的液面倾斜一定角度。当有入射光经过该液面时，会发生偏转。借此可以通过调节电压来控制光束偏转角度。
根据本发明第一个优选实施例，光束偏折器1还可包括第三电极和第四电极(例如位于图1中的第一电极12和第二电极13之间，分别位于纸面内和纸面外)，第三电极和第四电极分别被施加第三电压V3和第四电压V4，从而通过控制电压V1、V2、V3、V4，可以实现二维扫描，实现二维光束偏转，即实现二维的液体棱镜。本实施例中，每个电润湿小单元具有4个侧壁，构成4个独立的电极。
图2A、2B和2C分别示出了通过调节第一电压V1和第二电压V2来控制交界面的三种情形。其中，图2A中，调节第一电压V1和第二电压V2使得第一液体L1与第一电极12所成的角度θ1为锐角，第一液体L1与第二电极13所成的角度θ2为钝角，从而交界面14向左倾斜，从光束偏折器1下方入射的光束，在经过所述交界面14后，向左偏折继续传播。图2B中，例如是第一电压V1和第二电压V2相等的情况下，使得第一液体L1与第一电极12所成的角度θ1为直角，第一液体L1与第二电极13所成的角度θ2为直角，从而交界面14成水平，从光束偏折器1下方入射的光束，在经过所述交界面14后，未发生偏折而继续传播。图2C中，调节第一电压V1和第二电压V2使得第一液体L1与第一电极12所成的角度θ1为钝角，第一液体L1与第二电极13所成的角度θ2为锐角，从而交界面14向右倾斜，从光束偏折器1下方入射的光束，在经过所述交界面14后，向右偏折继续传播。
根据本发明的一个优选实施例，所述底部电极15设置在底部衬底16上，底部衬底例如可以是ITO玻璃等透明的导电材料。
根据本发明的一个优选实施例，所述侧壁的衬底11可以由ITO-PET等导电薄膜围合而成。另外，本发明中，第一透光液体L1和第二透光液体L2可使用两种填充液体，一种为极性液体，例如可以为水、水溶液、乙醇等，另一种为非极性液体，可以为硅油、烷烃等。
另外，根据本发明的实施例，所述光束偏折器1还包括与所述底部电极15相对的上盖板19，上盖板19例如位于所述分界线14的与所述底部电极15相反的一侧上。上盖板19可以由透明材料制成，或者可以由反射材料制成。当使用透明材料制成的上盖板19时，光束偏折器1实现了折射式偏转，即光线从光束偏折器1的底部电极15入射，在分界线14处经过折射后由上盖板19出射。当使用反射材料制成的上盖板19时，光束偏折器1实现了反射式偏转，即光线从底部电极15入射，经液面分界线14处折射及上盖板19反射后，由底部电极15出射。这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的实施例，光束偏折器1的各个部件，例如上盖板19、侧壁(包括衬底11、第一电极12、第二电极13、介质层、疏水层等)、底部电极15、底部衬底16等，等可通过粘合的方式被组装在一起。
上述的光束偏折器1可用于各种需要对光束进行成形的场合，包括但不限于在激光雷达中用于实现光束的偏转。其中在本发明的一些实施例中，由于不具有机械振动部件，因此可避免相应的损耗和可靠性问题，理论上可达到的偏转范围较大，可实现连续或阶梯式的角度变化。另外，该光束偏折器1功耗低，便于形成阵列结构，等比例缩放后有助于性能提升。理论上可将响应时间降低至毫秒级或更低，便于集成，有进行大规模生产的潜力。另外，本发明的实施例中优化了结构与工艺方案，减少了工艺复杂度，提高其工艺可靠性。
如图3所示，本发明还涉及一种光束偏折装置2，包括多个如上所述的光束偏折器1，形成光束偏折器的阵列。根据本发明的一个实施例，图3中每个光束偏折器的宽度约100um，高度约75um。本发明不限于此，还可以根据具体的设计要求，例如体积、偏折角度等，来改变其宽度和高度。如图3所示，该阵列中，相邻的光束偏折器1可以将共用一个侧壁，将其中一个光束偏折器的第二电极13与另一个光束偏折器的第一电极12共同设置在一个侧壁上。图4示出了光束偏折装置2的俯视图。所述阵列中的多个光束偏折器1可以共同地控制，例如可以将所述多个光束偏折器1的第一电极12互连在一起，所述多个光束偏折器1的第二电极13互连在一起，如图3所示的。从而可以同步地控制每一个光束偏折器1，对于多数入射光进行相同的调制和偏折。可替换的，所述阵列中的多个光束偏折器1可单独控制，例如每一个光束偏折器1的第一电压和第二电压被独立控制，从而允许多个光束偏折器对于入射光束进行不同的调制和偏折，这些都在本发明的保护范围内。
另外，根据本发明的一个优选实施例，可以在所述多个光束偏折器1的顶部上形成一顶部电极，例如透明的顶部电极21，该顶部电极21接地。而在所述多个光束偏折器1的底部上形成第一共用电极和第二共用电极，其中第一共用电极与所述多个光束偏折器1的第一电极12形成互连，第二共用电极与所述多个光束偏折器1的第二电极13形成互连。
图3的光束偏折装置2的工作方式与图1所示的光束偏折器1类似。在制作时，可以使用Su-8等材料，通过光刻的方式形成侧壁结构，然后再形成顶部电极、以及第一共用电极和第二共用电极等结构。
图3和图4的方案中，液面偏转的响应速度与器件尺寸正相关，可通过制成集成阵列式结构，将单个器件尺寸降低至百微米级，响应时间降低至毫秒级
图5示出了根据本发明另一个实施例的光束偏折装置3的结构示意图。其主要结构和工作原理与图3和图4所示实施例类似。与其不同之处在于，图5中的光束偏折器1的阵列采用了竖直方向堆叠的形式，而图3和图4中采用了水平方向堆叠的形式。
图5中，第一透光液体和第二透光液体的交界面的倾角由第一电极的电压和第二电极的电压决定。阵列竖直放置，光线由水平方向入射，经过交界面发生了偏折。将图5的技术方案与图3进行比较，图3中本来是侧壁的电极，在图5中成为光的入射方向，但是液面变化原理是相同的，是将电极和光线入射方向整体旋转了90度。这么操作的原因是在平面化微加工工艺中侧壁电极工艺实现较难，上下方向的极板电极比较容易加工。图5的技术方案中，需要施加一个比较大的电压差产生一个倾斜面才能够让尽可能多的光线被利用到。因为如果偏转角小的话入射光线几乎和两种液体界面是平行的，只有非常非常少一部分光会发生偏转。
图5所示的实施例的优点包括：将所需控制电压的电极置于上下极板，避免较为复杂的侧壁结构及互连结构，降低工艺复杂度，提高其工艺可靠性。
在制作图5所示的结构时，可使用PDMS等材料通过注模等方式形成阵列结构，并在该阵列结构上整个表面镀电极，上下极板镀上电极，介质层与疏水层后(无需光刻)与该阵列键合。
因此，在本发明的实施例中，光束可以从光束偏折器的第一电极和第二电极之间的端部处入射，或者，光束也可以从光束偏折器的第一电极和第二电极中的一个处入射，从另一个处出射。
图6示出了根据本发明一个实施例的一种如上所述的光束偏折器的控制方法100，包括：
在步骤S101：接收光束偏折参数。所述偏折参数例如对于光线偏折角度的要求，或者对于第一透光液体和第二透光液体之间的交界面的倾角设定值。
在步骤S102：向所述第一电极和第二电极分别施加第一电压V1和第二电压V2，调节所述第一透光液体和第二透光液体之间的交界面的倾角，以符合所述光束偏折参数。
其中所述向第一电极和第二电极分别施加第一电压V1和第二电压V2包括：控制所述第一电压V1和第二电压V2使得：
θ1+θ2＝π，
所述第一电极的第一电压V1和第二电极的第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一透光液体和第二透光液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
图7示出了根据本发明一个实施例的发射单元10的示意图，例如可用于激光雷达的发射单元。
如图7所示，发射单元10包括多个光束偏折器1以及数目相对应的激光器8，激光器8设置在所述光偏折器1的第一电极和第二电极之间的一端处，例如位于光束偏折器1的底部衬底16上(参考图1)，并配置成可发射出激光束。激光束进入所述光束偏折器1中，并经光束偏折器1中的第一透光液体和第二透光液体之间的交界面，发生折射后出射。所述激光器8例如是VCSEL激光器，其发射的激光所穿透的界面层较少，因此光利用率非常高。
图7中示意性示出了发射单元10包括三个光束偏折器1以及三个激光器8，本领域技术人员容易理解，发射单元10可包括数目更少或更多的光束偏折器1以及激光器8，例如1、2、4、5、6或更多，这些都在本发明的保护范围内。根据本发明的一个优选实施例，所述光束偏折器1以及激光器8可以一体集成制造，以提高系统的集成度。
根据本发明的一个优选实施例，每个光束偏折器1可以独立控制，因此每个光束偏折器1的出射光线均可以被独立控制。换句话说，每个电润湿小单元的电极都可独立控制，那液面倾角也可以控制，进而出射光束偏转大小可独立控制。
本发明还涉及一种接收单元，其结构与图7所示的发射单元10类似。替换图7中的激光器8，在光束偏折器1的底部衬底16上设置光电探测器，例如光电二极管、SiPM、雪崩光电二极管，可以构造出本发明的接收单元。本领域技术人员容易理解，图7中的光束方向也需要修改为反向的，即入射光线通过光束偏折器1中的第一透光液体和第二透光液体之间的交界面，发生折射后，入射到光电探测器上。此处不再赘述。
本发明还涉及一种激光雷达，包括如上所述的光束偏折器1，用于对入射的探测激光束、或者对于接受的反射激光束，进行预设的偏折操作。
图8示出了根据本发明一个优选实施例的激光雷达20，其中包括激光器21、光电探测器22、液体棱镜23、以及透镜24。其中，图中示出了四个激光器21和四个光电探测器22，本发明不限于器具体数目，均设置在同一个衬底上。图8中示意性示出了一个透镜24，但本领域技术人员容易理解，其可以包括单独的发射透镜和接收透镜，分别用于向激光雷达外部发射探测光束和接收来自激光雷达外部的反射光束。或者对于同轴式的光路系统来说，也可以使用相同的透镜或透镜组来同时用于发送和接收，这些都在本发明的保护范围内，此处不再赘述。为方便起见，下面统一以透镜24进行描述。
透镜24可以将入射到其上的光束进行准直并在外部物体上投射出光斑。在激光器21/光电探测器22与透镜24之间设置有液体棱镜23(例如图3所示的光束偏折装置2或图5所示的光束偏折装置3)，其中包括根据本发明实施例的光束偏折器1，例如包括两组光束偏折器，一组对应于激光器，另一组对应于光电探测器。因此激光器21发射出的激光束经所述液体棱镜23的光束偏折器1偏折后，入射到透镜24上，经所述透镜整形并出射，在外部障碍物上投射出光斑。从障碍物上反射的反射光线部分返回到所述透镜24，经所述透镜24后汇聚到液体棱镜23的光束偏折器1上，并且经光束偏折器偏折后入射到所述光电探测器22上。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种可用于激光雷达的光束偏折器，包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极彼此相对，并且其上可施加电压；
第一透光液体和第二透光液体，所述第一透光液体和第二透光液体封装在所述第一电极和第二电极之间，所述第一透光液体和第二透光液体之间具有交界面，所述交界面的倾角可随着所述电压的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的光束偏折器，其中所述第一电极与所述交界面之间的夹角为第一角度θ1，所述第二电极与所述交界面之间的夹角为第二角度θ2，θ1+θ2＝π。
3.根据权利要求2所述的光束偏折器，其中所述第一电极和/或第二电极上覆盖有介质层和/或疏水层，所述第一电极的第一电压V1和第二电极的第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一透光液体和第二透光液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
4.根据权利要求1或2所述的光束偏折器，还包括位于所述第一电极和第二电极之间的一端处的透明衬底和位于另一端处的上盖板，所述透明衬底允许光束入射，其中所述透明衬底包括ITO玻璃。
5.根据权利要求3所述的光束偏折器，其中所述上盖板为透明的，入射的光束经过所述交界面后可通过所述上盖板出射。
6.根据权利要求3所述的光束偏折器，其中所述上盖板为反射式的，入射的光束经过所述交界面后被所述上盖板反射，从所述第一电极和第二电极之间的所述一端处出射。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的光束偏折器，其中所述第一透光液体为极性液体，包括水、水溶液、乙醇中的一种或多种，所述第二透光液体为非极性液体，包括硅油、烷烃中的一种或多种。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的光束偏折器，还包括透明的底部电极，所述底部电极接地。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的光束偏折器，还包括第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极位于所述第一电极和第二电极之间，所述第三电极上可施加第三电压，所述第四电极上可施加第四电压，以调节所述第一透光液体和第二透光液体之间交界面的倾角，以实现二维光束偏转。
10.一种光束偏折装置，包括：多个如权利要求1-9中任一项所述的光束偏折器。
11.根据权利要求10所述的光束偏折装置，其中所述多个光束偏折器的第一电极互连在一起，所述多个光束偏折器的第二电极互连在一起。
12.根据权利要求10或11所述的光束偏折装置，还包括底部电极，底部电极形成所述多个光束偏折器的第一电极的互连、和/或所述多个光束偏折器的第二电极互连。
13.根据权利要求10或11所述的光束偏折装置，其中每个光束偏折器配置成光束从该光束偏折器的第一电极和第二电极之间的端部处入射，
或者，每个光束偏折器配置成光束从该光束偏折器的第一电极和第二电极中的一个处入射，从另一个处出射。
14.一种可用于激光雷达的发射单元，包括：
光源，配置成可发射出光束；
如权利要求1-9中任一项所述的光束偏折器，设置在所述光源的下游，并可接收所述光源发射出的光束，经偏折后出射。
15.如权利要求14所述的发射单元，其中所述发射单元包括多个光源和与所述光源数目相对应的光束偏折器，其中所述光源与所述光束偏折器一体集成制造。
16.一种可用于激光雷达的接收单元，包括：
如权利要求1-9中任一项所述的光束偏折器，所述光束偏折器，配置成可接收来自激光雷达外部的反射光束并对其进行偏折；
光电探测器，设置在所述光束偏折器的光路下游，并配置成可接收由所述光束偏折器偏折的反射光束。
17.如权利要求16所述的接收单元，其中所述接收单元包括多个光束偏折器和与所述光束偏折器数目相对应的光电探测器，其中所述光电探测器与所述光束偏折器一体集成制造。
18.一种激光雷达，包括如权利要求1-9中任一项所述的光束偏折器。
19.如权利要求18所述的激光雷达，还包括激光器和发射透镜，所述光束偏折器设置在所述激光器和发射透镜之间，其中所述激光器配置成发射出激光束，所述激光束经所述光束偏折器偏折后，入射到发射透镜上，经所述发射透镜整形并出射。
20.如权利要求18或19所述的激光雷达，还包括光电探测器和接收透镜，所述光束偏折器设置在所述光电探测器和接收透镜之间，其中所述接收透镜配置成可接收来自激光雷达外部的反射光线，并汇聚到所述光束偏折器上，经所述光束偏折器偏折后入射到所述光电探测器上。
21.一种如权利要求1-9中任一项所述的光束偏折器的控制方法，包括：
接收光束偏折参数；和
向所述第一电极和第二电极分别施加第一电压V1和第二电压V2，调节所述第一透光液体和第二透光液体之间的交界面的倾角，以符合所述光束偏折参数。
22.根据权利要求21所述的控制方法，所述第一电极与所述交界面之间的夹角为第一角度θ1，所述第二电极与所述交界面之间的夹角为第二角度θ2，θ1+θ2＝π。
23.根据权利要求22所述的光束偏折器，其中所述第一电极和/或第二电极上覆盖有介质层和/或疏水层，所述第一电极的第一电压V1和第二电极的第二电压V2满足以下关系：
其中γ为第一透光液体和第二透光液体交界面的张力系数，C为所述介质层和/或疏水层的单位面积电容，θ0为不施加电压时交界面处的接触角,θ1和θ2为施加电压后的角度。
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