CN113039462B - 棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置 - Google Patents

棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种棱镜透镜，所述棱镜透镜能够使从波导发射的倾斜方向上的光偏转至直接向上方向附近的方向。棱镜透镜(20)包括棱镜透镜本体(22)和至少一个柱面透镜(24、26)。棱镜透镜本体(22)具有相互距离从一端至另一端减小或增大的、对向的一组平面(22a、22b)。所述柱面透镜(24、26)与所述一组平面的至少一个平面成一体。所述柱面透镜(24、26)形成为使得所述柱面透镜在一平面处的截面形状具有特定弯曲形状，该平面垂直于棱镜透镜本体(22)的其上具有柱面透镜的平面相对于该组平面的另一平面的倾斜方向，该特定弯曲形状相对于在其上具有柱面透镜的平面凸出。

Description

棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置
技术领域
本发明涉及一种棱镜透镜、光偏转设备以及LiDAR装置。
背景技术
已经开发出使用激光测量的激光雷达(laser radar)或光检测测距、激光成像检测测距(LiDAR：Light Detection and Ranging，Laser Imaging Detection and Ranging)装置，所述装置对周围环境进行三维成像并获取到周围物体的距离作为二维图像。该技术领域用于汽车的自动驾驶、三维地图的创建等，并且其基本技术也适用于激光打印机、激光显示器、激光加工机等。
在该技术领域中，将光束施加至物体，检测从物体反射并返回的反射光，从其时间差和频率差获得关于距离的信息，并且二维扫描该光束，以便获得广角三维信息。
光偏转设备被用于光束扫描。传统上使用的是例如整体设备的旋转、诸如多面镜(多边形镜)和检流计镜的机械式镜以及使用微机械技术(微机电系统(Micro ElectroMechanical Systems(MEMS))技术)的小型集成镜的机械式机构。然而，由于这些机械式机构具有与它们的大尺寸、增加的成本以及关于振荡的运动物体的不稳定性相关的问题，因此近年来已经广泛地对非机械式的光偏转设备进行了研究。
作为非机械式的光偏转设备，已经提出了通过改变光的波长或设备的折射率来实现光偏转的相控阵型设备和衍射光栅型设备。此处，相控阵型光偏转设备存在很难以调整布置成阵列的大量光辐射器的相位并且难以形成高质量的锐利的光束的问题。同时，衍射光栅型光偏转设备可以容易地形成锐利的光束，但是具有光学偏转角度小的问题。
为了解决小光偏转角度的问题，本发明的发明人提出了通过将慢光波导耦合至诸如衍射光栅的衍射机构以增加光偏转角度的技术(专利文献1)。在诸如光子晶体波导的光子纳米结构中产生的慢光的特征在于，慢光具有低群速度并且由于波导的波长和折射率的细微变化而引起传播系数显著变化。当衍射机构被安装至慢光波导内或紧挨着慢光波导时，慢光波导耦合到衍射机构并成为将光辐射至自由空间的漏泄波导。此时，传播常数的显著变化影响辐射光的偏转角度，其结果是实现了大的偏转角度。使用柱面透镜抑制从光子晶体波导辐射的光以相对于沿着波导方向的左右方向的散布。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际专利公开第WO 2017/126386号
发明内容
发明解决的技术问题
上面的根据专利文献1的光偏转设备不能以直接向上的方向(辐射角度θ＝0°)辐射光。具有衍射机构的光子晶体波导由于布拉格(Bragg)衍射而引起传播的光以对角向上的方向被辐射。这里，当传播的光形成在前后方向上往复运动的驻波时，垂直于波导的θ＝0°的波满足衍射条件。由于在这样的驻波中，传播的光的电场的正相和负相以相同的方式存在，因此原则上消除了辐射光束的远场。实际上，当辐射角度θ接近0°时，辐射光束的强度迅速减弱。因此，不能使用以这种角度辐射的光。根据专利文献1的柱面透镜仅抑制从光子晶体波导辐射的光以相对于沿着波导方向的左右方向的散布，并且难以将光从波导辐射的倾斜方向偏转至直接向上的方向。
根据专利文献1的柱面透镜还具有以下问题：当光的辐射角度改变时，焦距改变，这是因为从辐射光观察到柱面透镜的曲率半径改变，从而使准直条件位移。
考虑到这些问题而做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置，所述棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置可以将从波导辐射的倾斜方向的光偏转至直接向上的方向附近的方向。
本发明的另一个目的是提供一种棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置，经由所述棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置，即使光的辐射角度改变时也不容易使准直条件位移。
解决问题的方案
根据本发明的棱镜透镜包括具有相互距离从一端至另一端减小或增大的、对向的一组平面；以及至少一个柱面透镜，所述至少一个柱面透镜与所述一组平面的至少一个平面成一体。柱面透镜形成为使得柱面透镜的在一平面处的截面形状具有特定弯曲形状，该平面垂直于所述棱镜透镜本体的其上具有所述柱面透镜的平面相对于所述一组平面的另一平面的倾斜方向，所述特定弯曲形状相对于其上具有所述柱面透镜的平面凸出(convex)。
优选地，其上具有柱面透镜的两个棱镜透镜本体被耦合，使得棱镜透镜本体的一组平面的倾斜方向对称。
优选地，柱面透镜形成在一组平面的两个平面上。
优选地，棱镜透镜配置为使得从波导辐射的光从该一组平面的一个平面射入并从一组平面的另一平面射出，所述波导具有通过在高折射率构件上周期性布置低折射率区域而形成的衍射光栅。
根据本发明的光偏转设备包括棱镜透镜和具有通过在高折射率构件上周期性布置低折射率区域而形成的衍射光栅的波导。
根据本发明的LiDAR装置包括光偏转设备、配置为致使光射入光偏转设备的光源以及配置为检测由光偏转设备接收的光的光检测器单元。
发明的效果
根据本发明，提供了一种可以将从波导辐射的倾斜方向的光偏转至直接向上的方向附近的方向的棱镜透镜、光偏转设备和LiDAR装置。
附图说明
图1示出了根据比较例的光偏转设备；
图2是根据比较例的从侧面方向观察的光偏转设备的侧视图；
图3是根据比较例的从正面方向观察的光偏转设备的正视图；
图4是用于说明图1所示的光偏转设备的第一问题的图；
图5是用于说明图1所示的光偏转设备的第一问题的图；
图6是用于说明图1所示的光偏转设备的第一问题的图；
图7是用于说明图1所示的光偏转设备的第二问题的图；
图8是用于说明图1所示的光偏转设备的第二问题的图；
图9示出了普通棱镜透镜的示例；
图10是示出根据第一实施方式的光偏转设备的立体图；
图11是示出根据第一实施方式的光偏转设备的侧视图；
图12是用于说明根据第一实施方式的棱镜透镜的作用的图；
图13是用于说明根据第一实施方式的棱镜透镜的作用的图；
图14是用于说明根据第一实施方式的棱镜透镜的作用的图；
图15是示出根据第二实施方式的光偏转设备的立体图；
图16是示出根据第二实施方式的光偏转设备的侧视图；
图17示出了通过根据第二实施方式的棱镜透镜使辐射光偏转的状态的图；
图18是示出通过根据第二实施方式的棱镜透镜使辐射光准直的状态的正视图；
图19示出了根据第二实施方式的棱镜透镜的第一设计示例；
图20示出了根据第二实施方式的棱镜透镜的第二设计示例；
图21示出了在图20所示的棱镜透镜的第二设计示例中当以各种角度辐射光时的模拟结果；
图22示出了在图20所示的棱镜透镜的第二设计示例中当以各种角度辐射光时的模拟结果；
图23示出了在图20所示的棱镜透镜的第二设计示例中当以各种角度辐射光时的模拟结果；
图24示出了在图20所示的棱镜透镜的第二设计示例中当以各种角度辐射光时的模拟结果；
图25示出了在图20所示的棱镜透镜的第二设计示例中的出射光束的散布角度的计算示例；
图26示出了根据第三实施方式的棱镜透镜；以及
图27示出了根据第四实施方式的LiDAR装置。
具体实施方式
(实施方式的概述)
以下，参照附图描述本发明的实施方式的概述。
图1示出了根据比较例的光偏转设备1A。图2是根据比较例的从侧面方向观察的光偏转设备1A的侧视图。图3是根据比较例的从正面方向观察的光偏转设备1A的正视图。
光偏转设备1A具有光子晶体波导2和柱面透镜10。柱面透镜10设置在光子晶体波导2的上方(在从光子晶体波导2辐射光的一侧上)。由于光子晶体波导2的构造与根据上述专利文献1的光子晶体波导的构造实质上相同，因此仅描述其概要。光子晶体波导2具有衍射光栅4和波导6。衍射光栅4在由诸如硅的半导体制成的高折射率构件上周期性地具有低折射率区域。光从入射方向(正面方向)射入波导6，使得波导6传播光。
在此假设在波导6上光的入射方向为X轴方向，并且竖直上方向(直接上方向)为Z轴方向。垂直于ZX平面的方向是Y轴方向(侧面方向)。从正面方向看，左右方向的摆动角度为Φ(Φ方向)。换句话说，Φ方向是YZ平面上的方向。从侧面方向看，左右方向上的摆动角度为θ(θ方向)。换句话说，θ方向是ZX平面上的方向。光子晶体波导2通过改变光的波长或改变光子晶体波导2(衍射光栅4)的折射率以将光偏转至θ方向，并且通过切换波导6来改变波导6相对于柱面透镜10的位置以将光偏转至Φ方向。
波导6在未设置衍射光栅4的部分沿X轴方向(从正面观察的深度方向)形成。射入波导6的光经由波导6以X轴方向传播并辐射至波导6的上方向(Z轴方向)。在这种情况下，如图2所示，辐射至波导6的上方向的光(辐射光Lr)以角度θ相对于Z轴方向向传播方向(X轴方向)倾斜。另外，如图3所示，因为波导6具有较窄的宽度，从光传播方向(X轴方向)观察，从波导6辐射的辐射光Lr变成在横向方向(Y轴方向)以±Φa角度呈扇形散布的光束。
如图2所示，柱面透镜10在沿着波导6的方向(传播方向，即，X轴方向)具有均匀的形状。换句话说，从侧面方向观察，柱面透镜10在ZX截面具有基本矩形的形状。换言之，当以垂直于Y轴的平面切割柱面透镜10时，柱面透镜10的上表面10a不是弯曲的。另一方面，如图3所示，柱面透镜10在与沿波导6的方向(传播方向，即，X轴方向)正交的方向(Y轴方向)具有向上弯曲的上表面10a。换句话说，从正面方向观察，柱面透镜10在ZY截面处具有向上凸出的上表面10a。换言之，当以垂直于X轴的平面切割柱面透镜10时，上表面10a具有向上的凸出的曲线。应当注意的是，作为柱面透镜10的形状，上表面10a不需要是向上凸出的，也可以是向下凸出的或在两侧上都凸出的。
由于柱面透镜10的这种形状，辐射光Lr在Φ方向的散布被抑制。换句话说，通过柱面透镜10，辐射光Lr被准直并且被转换为平行光(准直的光束)。因此，作为平行光的辐射光Lr在Z轴方向辐射得很远。这里假设，对于来自波导6的辐射光Lr的辐射角度θ，调整柱面透镜10的位置，使得在特定θ方向(参见图2)以辐射角度(θa)辐射的辐射光Lr被准直。本文中的术语“准直”不限于指使辐射光严格平行。可以说，如果出射光的散布被抑制至可接受范围内的角度(例如0.01°至0.1°的量级)，则光被“准直”。
接下来，将描述图1所示的光偏转设备1A的问题。
图4至图6是用于说明图1所示的光偏转设备1A的第一问题的图。如上所述，假设调整柱面透镜10的位置，使得以角度θa辐射的辐射光Lr被准直。在这种情况下，假设将辐射角度θ改变为大于图2中的辐射角度θa的θb。结果是，从波导6至柱面透镜10的距离(光路长度)从La增加至Lb。
另一方面，当辐射角度θ增大时，由于辐射光Lr以倾斜方向穿过柱面透镜10的上表面10a，因此上表面10a的曲率半径相对于辐射光Lr的前进方向(the direction oftravel)较小。从以下事实也可以明显看出，对于以特定平面切割的圆柱体的截面，尽管以垂直于圆柱体的中心轴线的平面切割的截面平面的曲率半径等于底部圆的半径，但是以与垂直于圆柱体中心轴线的平面倾斜的平面切割的截面的曲率半径小于底部处的圆的半径。
这样，随着曲率半径的减小，焦距减小，这引起焦点的偏移。换句话说，如图5所示，因为用于能够准直辐射光Lr的条件被位移，所以即使穿过柱面透镜10，辐射光Lr也不会被准直。另外，如上所述，尽管焦距减小，但因为随着辐射角度θa增大，从波导6至柱面透镜10的距离也增大，焦点进一步位移，这使辐射光Lr的准直条件进一步恶化。因此，如图5所示，相对于竖直上方向(Z轴方向)，从柱面透镜10射出的辐射光Lr的散布角度Φ'远离0°。
图6示例性示出了远场图案，所述远场图案示出了当来自波导6的光的辐射角度θ被偏转时的Φ方向的准直状态。在图6所示的示例中，设定条件使得当θ＝23°时执行准直。在这种情况下，θ越远离23°，散布角度Φ'越远离0°。这样，图1所示的光偏转设备1A难以相对于宽的辐射角度θ准直辐射光Lr，因为当辐射角度θ改变时柱面透镜10的焦点发生了位移。
图7和图8是用于说明图1所示的光偏转设备1A的第二问题的图。如图7所示，当切换对光子晶体波导2的光入射方向时，光朝向±θ方向偏转。更具体地，当光射入X轴的正方向时，光被偏转至+θ方向。另一方面，当光射入X轴的负方向时，光被偏转至-θ方向。因此，除了通过改变光的波长或改变光子晶体波导2的折射率以偏转θ之外，还可以通过将光的入射方向向右或向左切换来将光在θ方向的偏转范围扩大两倍。这里，如上所述，光不能通过光子晶体波导2向直接向上的方向(出射角度θ'＝0°)辐射。
图8示例性示出了当通过左右切换和热光效应执行向θ方向的光偏转并且通过切换波导6执行向Φ方向的光偏转时的光束的远场图案。然而，由于相对于斑点对透镜的焦距进行了微调，因此几乎没有出现如上所述的第一问题。在此，从图8可以明显看出，在θ＝0°附近未观察到光束的远场图案。参照图8，尽管没有观察到-5°＜θ＜5°范围内的光束，但是实际上可以有效地使用不包括-10°＜θ＜10°范围的光束。另外，相对于沿波导6的方向，柱面透镜10仅抑制从光子晶体波导2辐射的光在左右方向(Φ方向)的散布，并且难以将从波导6辐射的、在倾斜方向的光偏转至直接向上的方向(θ'＝0°)。这样，图1所示的光偏转设备1A难以将从波导6辐射的、在倾斜方向的光偏转至直接向上的方向(出射角度θ'＝0°)附近的方向。
同时，根据实施方式的光偏转设备可以以下述方式解决上述的第一问题和第二问题。更具体地，可以通过采用棱镜透镜来解决问题，所述棱镜透镜具有与彼此不平行的、对向的一组平面中的至少一个成一体的柱面透镜，而非柱面透镜10。在此，“彼此不平行的、对向的一组平面”是相互距离从一端至另一端增大或减小的、对向的一组平面。
图9示出了普通棱镜透镜Pr的示例。棱镜透镜具有倾斜的厚度。因此，棱镜透镜具有彼此不平行的、对向的一组平面P1和P2。换句话说，平面P1和平面P2是相互距离从一端至另一端增大或减小的、对向的一组平面。例如，在图9中，平面P1和平面P2之间的距离从左端至右端增大。相反地，在图9中，平面P1和平面P2之间的距离从右端至左端减小。当光穿过棱镜透镜Pr时，光的前进方向弯曲。在实施方式中使用了棱镜透镜的这种特性。
(第一实施方式)
图10是示出根据第一实施方式的光偏转设备1的立体图。图11是示出根据第一实施方式的光偏转设备1的侧视图。根据第一实施方式的光偏转设备1具有光子晶体波导2和棱镜透镜20。光子晶体波导2是具有周期性在高折射率构件上的低折射率区域的衍射光栅的波导，并且与图1所示的基本相同。
棱镜透镜20具有棱镜透镜本体22以及柱面透镜24和26。棱镜透镜本体22具有彼此不平行的、对向的一组平面22a和22b(第一平面)。这里，棱镜透镜本体22的下平面(在光子晶体波导2一侧上)是平面22a，并且上平面(在远离光子晶体波导2的一侧上)是平面22b。因此，平面22a和22b是相互距离从其一端至另一端减小或增大的、对向的一组平面。例如，在图11中，平面22a和平面22b之间的距离从左端至右端(X轴的正方向)减小。相反地，在图9中，平面22a和平面22b之间的距离从右端至左端(X轴的负方向)增加。相对于作为光的传播方向的X轴方向，棱镜透镜20被安装为使得平面22a和平面22b的X轴正方向侧(在光入射方向的下游侧)倾斜以接近光子晶体波导2。这里假设平面22a和平面22b垂直于ZX平面。因此，可以说棱镜透镜本体22为四角柱，从侧面方向(Y轴方向)观察，该四角柱具有表面(图10中的箭头A所示)作为其底表面。然而，棱镜透镜本体22的形状不限于四角柱。而且，棱镜透镜本体22形成为使得平面22a与平面22b在X轴的正方向侧(光入射方向的下游侧)之间的距离比其在X轴的负方向侧(光入射方向的上游侧)之间的距离更短。
柱面透镜24与平面22a(第一平面)成一体。柱面透镜26与平面22b(第一平面)成一体。因此，棱镜透镜20配置为使得柱面透镜24和26被设置在彼此不平行的、对向的一组平面22a和22b上。应当注意的是，由于柱面透镜24与平面22a成一体，因此不需要例如通过切割棱镜透镜20来可视化地检查棱镜透镜本体22和柱面透镜24之间的边界。以相同的方式，由于柱面透镜26与平面22b成一体，因此不需要通过例如切割棱镜透镜20来可视化地检查棱镜透镜本体22和柱面透镜26的边界。
此处，柱面透镜24形成为使得该柱面透镜在平面Pa处的截面形状具有特定弯曲形状，该特定弯曲形状相对于平面22a凸出，所述平面Pa垂直于平面22a相对于平面22b(棱镜透镜本体22的一组平面的另一平面)的倾斜方向(图11中的箭头A所示)。换句话说，柱面透镜24在箭头A所示的倾斜方向上具有均匀的形状。因此，柱面透镜24的棱线24a平行于平面22a。箭头A所示的倾斜方向基本平行于ZX平面。箭头A所示的倾斜方向也基本垂直于通过使包括平面22a的平面与包括平面22b的平面相交而获得的交线。
另外，柱面透镜26形成为使得该柱面透镜在平面Pb处的截面形状具有特定弯曲形状，该特定弯曲形状相对于平面22b凸出，所述平面Pb垂直于平面22b相对于平面22a(棱镜透镜本体22的一组平面的另一平面)的倾斜方向(图11中的箭头B所示)。换句话说，柱面透镜26在箭头B所示的倾斜方向上具有均匀的形状。因此，柱面透镜26的棱线26a平行于平面22b。箭头B所指示的倾斜方向基本平行于ZX平面。箭头B所示的倾斜方向也基本垂直于通过使包括平面22a的平面与包括平面22b的平面相交而获得的交线。
通过如上所述形成的棱镜透镜20，当从侧面方向观察时用作折射光的棱镜透镜，并且当从正面方向观察时用作结合两个柱面透镜24和26的透镜。因此，即使当辐射角度θ改变时，如上所述形成的棱镜透镜20的使用能够准直辐射光Lr(抑制辐射光Lr的散布)(解决了第一问题)。此外，如上所述形成的棱镜透镜20的使用能够将从波导6辐射的倾斜方向的光偏转至直接向上方向(出射角度θ'＝0°)附近的方向(解决了第二问题)。
图12至图14是用于说明根据第一实施方式的棱镜透镜20的作用的图。图12是用于说明即使辐射角度θ改变时也能够准直辐射光Lr的原理的图。图12是通过将图11所示的棱镜透镜20的右侧旋转至顶侧获得的图，并且为了清楚的示出，棱镜透镜20(棱镜透镜本体22)绘制成具有水平对称的角度。
参照图12，考虑到当从水平线稍微向上的光束从图的左方射入棱镜透镜20时，光束的方向被改变为在棱镜透镜20内部立刻横向，并且稍微向下的光束从右侧射出以与左侧的光束方向对称的状态。这里假设当入射角度是θ0时，出射角度是-θ0。进一步假设柱面透镜24的曲率是R1 -1(曲率半径R1)，柱面透镜26的曲率是R2 -1(曲率半径R2)，并且这些曲率相等(R1 -1＝R2 -1)。从光源至透镜的长度(与光路长度相对应的长度)为L1，在透镜中的长度(与光路长度相对应的长度)是L2。在这种情况下，可以理解的是，可以将两个透镜结合以获取在Φ方向(图的深度方向)使散布的光准直的系统。换句话说，由于入射角度的绝对值和出射角度的绝对值相等并且柱面透镜24的曲率和柱面透镜26的曲率相等，在光束入射方向上的曲率半径等于光束出射方向上的曲率半径(其中曲率半径为R')。因此，通过设定长度L1使得当时的光源位置与在棱镜透镜20的柱面透镜24侧的焦点一致，从柱面透镜26射出的光束能够被准直。
接下来，考虑到用于获取入射角度θ0+Δθ的条件。在这种情况下，由于从光源至透镜的长度L1比θ0时的长度稍长，并且在透镜中的长度L2比θ0时的长度稍短，它们在相互抵消的方向上起作用。而且，由于到柱面透镜24的入射角度稍大，柱面透镜24的入射方向的曲率比θ0时的曲率大(曲率半径小于R')。相反地，由于到柱面透镜26的入射角度稍小，柱面透镜26的入射方向的曲率小(曲率半径大于R')。因此，曲率(曲率半径)也在相互抵消的方向上起作用。因此，由于焦点的位移被抑制，结果是可以保持θ0的准直条件。这同样适用于θ0-Δθ的情况，并且即使当入射角度改变至任一的方向，焦点的位移也被抑制。因此，可以保持θ0的准直条件。换句话说，通过将光源定位为θ0以匹配焦点，即使为θ0±Δθ，光源位置和焦点也基本匹配。
然而，特定范围的Δθ满足准直条件。在图12中，当θ0+Δθ时，射入柱面透镜26的光的角度几乎是竖直的。当该角度超过竖直角度时，曲率再次开始增大，并且不会发生如上所述的抵消。另一方面，当θ0-Δθ并且当射入柱面透镜24的光的角度相对于竖直角度向下时，不会发生抵消。因此，需要2Δθ小于由棱镜透镜本体22的两个平面22a和22b形成的角度。
图13是示出当用于从波导6辐射光的辐射角度θ改变时的辐射光Lr的侧视图。图14是示出当用于从波导6辐射光的辐射角度θ改变时的辐射光Lr的正视图。如图13所示，假设θ在θ1和θ2之间变化。进一步假设当来自波导6的光的辐射角度是θ1时，来自棱镜透镜20的光的出射角度是θ1'。进一步假设当来自波导6的光的辐射角度为θ2时，来自棱镜透镜20的光的出射角度为θ2'。此处，如图13所示，由平面22a相对于XY平面(波导6)形成的倾斜角度为Θ，由平面22b相对于XY平面(波导6)形成的倾斜角度为Θ'。在这种情况下，通过调整倾斜角度Θ和倾斜角度Θ'，由于棱镜透镜的作用，辐射角度θ1可以满足θ1'＝0。因此，根据第一实施方式的棱镜透镜20可以解决上述的第二问题。换句话说，根据第一实施方式的棱镜透镜20可以使从波导6辐射的倾斜方向的辐射光偏转为直接向上方向(出射角度θ'＝0°)上的光。
如图14所示，当来自波导6的辐射角度θ在θ1和θ2之间变化时，因为如以上参照图12所述的焦点的位移被抑制，辐射光Lr可以被准直。更具体地，从图13明显看出，当辐射角度θ小时，辐射光Lr基本垂直地射入柱面透镜24。随着辐射角度θ增加，辐射光Lr至柱面透镜24的入射角度减小(远离90°)。因此，随着辐射角度θ增大，相对于辐射光Lr的入射方向的柱面透镜24的曲率半径减小。另一方面，当辐射角度θ大时，辐射光Lr基本垂直地射入柱面透镜26。随着辐射角度θ减小，辐射光Lr至柱面透镜26的入射角度减小(远离90°)。因此，随着辐射角度θ增大，柱面透镜26相对于辐射光Lr的入射方向的曲率半径增大。从图13明显看出，随着辐射角度θ增大，在棱镜透镜20内的光路长度L2减小的同时，从波导6至柱面透镜24的光路长度L1增大。因此，即使当辐射角度θ改变时，焦点的位移也被抑制。
换句话说，由于满足了上述参考图12的条件，从正面方向观察的辐射光Lr(出射光束)的散布角度Φ'在横向方向可以被抑制至0°附近。因此，根据第一实施方式的棱镜透镜20可以解决上述的第一问题。换句话说，根据第一实施方式的棱镜透镜20可以抑制辐射光Lr的散布角度Φ'相对于宽辐射角度θ的增大。
现在通过使用数学表达式来示意性地描述焦点位移被抑制的事实。假设设定为出射光束以特定辐射角度θ0被准直。进一步假设柱面透镜24相对于以特定辐射角度θ辐射的光射入柱面透镜24的方向的曲率半径为r1(≤R1)，并且相对于光射入柱面透镜26的方向的曲率半径为r2(≤R2)。在这种情况下，从光源至透镜的长度是L1，并且在透镜中的长度是L2。在这种情况下，透镜制造商的方程以如下表达式(1)所示。其中，f是焦距，并且n是棱镜透镜20的折射率。
[表达式1]
Figure BDA0003044474330000101
根据用于厚透镜焦距的表达式，L1以如下表达式(2)表示。
[表达式2]
Figure BDA0003044474330000111
根据表达式(1)和表达式(2)，当r1＝r2＝r0时，L1以如下表达式(3)和(4)表示。
[表达式3]
Figure BDA0003044474330000112
其中
[表达式4]
Figure BDA0003044474330000113
如果满足表达式(3)和(4)，则光可以被准直。
随着辐射角度θ增加(图13中θ1→θ2)，从光源至棱镜透镜20的长度L1增加，柱面透镜24中的r1减小，透镜中光传播的长度L2减少，并且柱面透镜26中的r2增大。该状态被认为是从r1、r2、L1和L2分别至r1-Δr1、r2+Δr2、L1+ΔL1和L2-ΔL2变化获得的。此处假设带有Δ的参数是微小的。另外，此处设定r1＝r2＝r0，并且近似于r1≈r0-Δr和r2≈r0+Δr。通过将以上参数的变化代入表达式(1)和(2)并进一步删除等于或大于带有Δ的参数的平方的高阶项(因为它们足够小)，最终获得通过以下表达式(5)表示的近似表达式。
[表达式5]
Figure BDA0003044474330000114
此处，从表达式(3)显而易见的是，左侧的L1对应于右侧括号内的第一项。因此，导出下面的表达式(6)，并且如果ΔL1、ΔL2和Δr表现为满足表达式(6)，则即使在光的出射角度θ变化时也能够保持准直状态。由于ΔL1、ΔL2和Δr均为正，因此即使在光的辐射角度θ变化时ΔL1、ΔL2和Δr也可以表现为满足表达式(6)。
[表达式6]
Figure BDA0003044474330000121
此处，在图13中，L1、ΔL1、L2、ΔL2、Δr和A全部可以由光的辐射角度θ、棱镜透镜20的上角度Θ和下角度Θ'、棱镜透镜20的折射率n、棱镜透镜20在Z轴方向的厚度以及从光源至棱镜透镜20的距离表示。因此，通过将它们代入表达式(6)，可以导出这些结构参数的条件。此处，通过将折射率n和来自光子晶体波导2的光的辐射角度的范围θ1至θ2定义为固定值，并将θ1至θ2的范围内的典型角度定义为表示如图12所示的对称光线轨迹的θ0，可以确定用于解决第二问题的对应的Θ、Θ'。通过将Θ和Θ'应用于上述结构参数的条件，可以将棱镜透镜20在Z轴方向的厚度以及从光源至棱镜透镜20的距离作为r0的常数倍。
(第二实施方式)
接下来，描述第二实施方式。
图15是示出根据第二实施方式的光偏转设备1的立体图。图16是示出根据第二实施方式的光偏转设备1的侧视图。根据第一实施方式的光偏转设备1具有光子晶体波导2和棱镜透镜30。通过结合(耦合)根据第一实施方式的两个棱镜透镜20来形成根据第二实施方式的棱镜透镜30。
更具体地，棱镜透镜30通过将基本平行于棱镜透镜20的YZ平面的两个平面中具有较大面积的平面(在平面22a和平面22b之间具有较长距离的平面)相互耦合而形成。因此，棱镜透镜30具有在X轴方向的中心附近弯曲的形状。换句话说，根据第二实施方式的棱镜透镜30通过结合每个具有柱面透镜24和26的棱镜透镜本体22而形成，使得棱镜透镜本体22的平面22a和22b的倾斜方向彼此对称。
棱镜透镜30具有棱镜透镜20A和棱镜透镜20B。棱镜透镜20A和棱镜透镜20B具有与根据第一实施方式的棱镜透镜20基本相同的形状。因此，棱镜透镜20A具有棱镜透镜本体22A、柱面透镜24A以及柱面透镜26A。棱镜透镜20B具有棱镜透镜本体22B、柱面透镜24B以及柱面透镜26B。棱镜透镜本体22A和棱镜透镜本体22B对应于棱镜透镜本体22。柱面透镜24A和柱面透镜24B对应于柱面透镜24。柱面透镜26A和柱面透镜26B对应于柱面透镜26。
柱面透镜24A与棱镜透镜本体22A的平面22a成一体。柱面透镜26A与棱镜透镜本体22A的平面22b成一体。柱面透镜24B与棱镜透镜本体22B的平面22a成一体。柱面透镜26B与棱镜透镜本体22B的平面22b成一体。此处，棱镜透镜本体22A的平面22a的倾斜方向和棱镜透镜本体22B的平面22a的倾斜方向关于棱镜透镜20A与棱镜透镜20B之间的边界平面Pc对称。同样地，棱镜透镜本体22A的平面22b的倾斜方向和棱镜透镜本体22B的平面22b的倾斜方向关于棱镜透镜20A与棱镜透镜20B之间的边界平面Pc对称。
图17示出了通过根据第二实施方式的棱镜透镜30使辐射光Lr偏转的状态。当光从箭头A所示的方向射入时，光从波导6以+θ的方向辐射。如上所述，以特定辐射角度θ的辐射光Lr以出射角度θ'＝0射出。当光从与箭头A相反方向的箭头B所示的方向射入时，光从波导6以与+θ方向相反方向(负方向)的-θ方向射出。如上所述，以特定辐射角度θ的辐射光Lr以出射角度θ'＝0射出。因此，当辐射角度θ为-θ2至+θ2时(参见图13)，辐射光Lr可以被连续地偏转至-θ2、至0°、至+θ2。换句话说，通过采用根据第二实施方式的棱镜透镜30，辐射光Lr可以被偏转使得出射角度θ'在0°附近的正方向或负方向。
图18是示出通过根据第二实施方式的棱镜透镜30使辐射光Lr准直的状态的正视图。如上所述，由于通过结合根据第一实施方式的棱镜透镜20形成根据第二实施方式的棱镜透镜30，棱镜透镜30可以以根据第一实施方式的棱镜透镜20相同的方式准直辐射光Lr。换句话说，从正向方向观察的在横向方向辐射光Lr(出射光束)的散布角度Φ'可以被抑制至0°附近。根据第二实施方式的棱镜透镜30可以在辐射角度θ为正方向(+θ)和负方向(-θ)的两种情况下准直辐射光Lr。
图19示出了根据第二实施方式的棱镜透镜30的第一设计示例。图19的左图是棱镜透镜30的正视图，并且图19的右图是棱镜透镜30的侧视图。在图19中，棱镜透镜本体22A和棱镜透镜本体22B没有区别。因此，将棱镜透镜30的棱镜透镜本体22A和棱镜透镜本体22B表示为“棱镜透镜本体22”，将柱面透镜24A和柱面透镜24B表示为“柱面透镜24”，以及将柱面透镜26A和柱面透镜26B表示为“柱面透镜26”。
棱镜透镜30的折射率为n＝1.5。平面22a的倾斜角度为Θ＝5.5°，平面22b的倾斜角度为Θ'＝24.6°。柱面透镜24的曲率半径为R1＝10.2mm，并且柱面透镜26的曲率半径为R2＝10.2mm。棱镜透镜30的焦距为f＝11.38mm。棱镜透镜30的全长(X轴方向的长度)为D1＝16mm，并且棱镜透镜30的中心高度为H1＝12.88mm。从波导6至棱镜透镜30的中心的距离为L0＝6.86mm。波导6的辐射开口宽度为W0＝1.0mm并且围绕X＝0为±0.5mm。辐射角度θ为10°、20°、30°。辐射散布角度为δΦ＝±15°(＝30°)。在这些条件下进行了模拟。
在这种情况下，出射光的光束宽度为Wb＝6.1mm。θ＝10°的辐射开口宽度的负端部分中的出射角度θ'为0°。θ＝30°的辐射开口宽度的正端部分中的出射角度θ'为20°。当散布角度Φ的分布的半峰全宽(半宽)为δΦ'时，θ＝10°、20°、30°的辐射开口宽度的负端部分中的半峰全宽分别为δΦ'＝0.10°、0.01°、0.10°。同样地，θ＝10°、20°、30°的辐射开口宽度的正端部分中的半峰全宽分别为δΦ'＝0.04°、0.11°、0.04°。此处，当使用图1所示的柱面透镜10时，获得近似δΦ'＝0.8°。由此理解的是，通过使用本实施方式的棱镜透镜，出射光束可以被良好地准直。
应当注意，根据本实施方式的棱镜透镜形成为具有在沿光传播方向(X轴方向)的方向改变的形状。另一方面，如图19所示，当波导6的辐射开口宽度(波导长度)为约1.0mm时，光源定位在辐射开口宽度的范围内。因此，在光源处于某些位置的情况下，有可能不满足准直条件(如上所述，从以下事实也可以明显看出，出射光束的散布角度Φ'(半峰全宽δΦ')在来自辐射开口宽度的正端部分的辐射光和来自负端部分的辐射光之间是不同的)。当棱镜透镜的尺寸接近波导长度时，这可能是显著的。另一方面，通过相对于波导长度充分增大棱镜透镜的尺寸并增大光源与棱镜透镜之间的距离，可以使光源近似为一个点。因此，独立于辐射角度θ，增加了满足准直条件的可能性。
图20示出了根据第二实施方式的棱镜透镜30的第二设计示例。图20的左图是棱镜透镜30的正视图，并且图20的右图是棱镜透镜30的侧视图。如图19中的示例一样，图20中的棱镜透镜本体22A和棱镜透镜本体22B没有区别。另外，图20中棱镜透镜本体22的平面22a和22b未清楚的示出。
棱镜透镜30的折射率为n＝1.5。平面22a的倾斜角度(柱面透镜24的棱线的倾斜角度)为Θ＝5.5°，并且平面22b的倾斜角度(柱面透镜26的棱线的倾斜角度)为Θ'＝24.6°。柱面透镜24的曲率半径为R1＝12.75mm，并且柱面透镜26的曲率半径为R2＝12.75mm。棱镜透镜30的焦距为f＝12.93mm。棱镜透镜30的全长(X轴方向的长度)为D1＝23mm，并且棱镜透镜30中心处的高度为H1＝17.63mm。棱镜透镜30在宽度方向的长度(Y轴方向的长度)为D2＝24mm。棱镜透镜30的最底部分和波导6之间的高度差为H0＝7.72mm。棱镜透镜30的最高部分和最底部分之间的高度差为H2＝18.73mm。从波导6至棱镜透镜30的中心的距离为L0＝8.82mm。波导6的辐射开口宽度为W0＝1.0mm并且围绕X＝0为±0.5mm。辐射角度θ为10°、20°、30°。辐射散布角为δΦ＝±15°(＝30°)。在这些条件下进行模拟。在这种情况下，如图20所示，可以想到的是，当辐射角度θ＝10°时可以实现出射角度θ'＝0。
图21至图24示出了在图20所示的棱镜透镜30的第二设计示例中以各种角度辐射光的情况下的模拟结果。图21和图22示出了在从波导6中的单一辐射位置向两个方向(辐射角度θ的正方向(+θ)和负方向(-θ))以各种角度辐射光的情况下的模拟结果。图21是棱镜透镜30的立体图，并且图22是棱镜透镜30的侧视图。如图21所示，可以看出，即使当以各种角度辐射光时，通过使用根据第二设计示例的棱镜透镜30，出射光束被准直。另外，如图22所示，可以看出，通过使用根据第二设计示例的棱镜透镜30，将由箭头Be1所示的出射光束在直接向上的方向(θ'＝0)射出。
图23和图24示出了在从波导6中的多个辐射位置向一个方向(辐射角度θ的负方向(-θ))以各种角度辐射光的情况下的模拟结果。图23是棱镜透镜30的立体图，并且图24是棱镜透镜30的侧视图。如图23所示，可以看出，即使当以各种角度辐射光时，通过使用根据第二设计示例的棱镜透镜30，出射光束被准直。另外，如图24所示，可以看出，通过使用根据第二设计示例的棱镜透镜30，将由箭头Be2所示的出射光束在直接向上的方向(θ'＝0)上射出。
图25示出了在图20所示的棱镜透镜30的第二设计示例中出射光束的散布角度Φ'的计算示例。图25示出了当从辐射位置X＝-0.5mm、0mm、+0.5mm以辐射角度θ＝10°、16°、24°、30°辐射光时出射光束的散布角度Φ'。在每个图中，将散布角度Φ'的分布的中心绘制为0°，但是半峰全宽在±0.01°至0.08°的范围内。因此，可以看出，在图20所示的棱镜透镜30的第二设计示例中，当以辐射角度θ＝10°、16°、24°、30°辐射光时，出射光束被良好地准直。
(第三实施方式)
接下来描述第三实施方式。根据上述的第一实施方式等，在棱镜透镜本体的彼此不平行、对向的一组平面的两侧上的平面上设置柱面透镜。另一方面，第三实施方式与第一实施方式的不同之处在于，在棱镜透镜本体的彼此不平行的、对向的一组平面中的一个平面上设置柱面透镜。
图26示出了根据第三实施方式的棱镜透镜50。图26的左图是棱镜透镜50的正视图，并且图26的右图是棱镜透镜50的侧视图。根据第三实施方式的棱镜透镜50具有棱镜透镜本体52和柱面透镜56。棱镜透镜本体52具有彼此不平行的、对向的一组平面52a和52b(第一平面)。此处，棱镜透镜本体52的下表面(在光子晶体波导2侧上)为平面52a，并且上表面(在光子晶体波导2的远侧上)为平面52b。因此，平面52a和52b是相互距离从其一端至另一端增大或减小的、对向的一组平面。例如，参照图26的右图，平面52a和平面52b之间的距离从左端至右端(X轴的正方向)先增加后减小。棱镜透镜50配置为倾斜，使得在光的传播方向的X轴方向，平面52a与光子晶体波导2之间的距离随着平面52a与中心之间的距离增大而增大。此处，假设平面52a和平面52b基本垂直于ZX平面。因此，可以说棱镜透镜本体52为三角柱，从侧面方向观察，该三角柱具有平面作为为其底表面。
柱面透镜56与平面52b(第一平面)成一体。因此，棱镜透镜50在彼此不平行的、对向的一组平面中的一个(平面52b)上具有柱面透镜56。应当注意，由于柱面透镜56与平面52b成一体，因此不需要通过例如切割棱镜透镜50来可视化地检查棱镜透镜本体52和柱面透镜56之间的边界。
此处，柱面透镜56形成为使得该柱面透镜在平面Pd处的截面形状具有特定弯曲形状，该特定弯曲形状相对于平面52b凸出，所述平面Pd垂直于平面52b相对于平面52a(棱镜透镜本体22的平面组的另一平面)的倾斜方向(图26中的箭头C所示)。换句话说，柱面透镜56在箭头C所示的倾斜方向上具有均匀的形状。因此，柱面透镜56的棱线56a平行于平面52b。箭头C所示的倾斜方向基本平行于ZX平面。箭头C所示的倾斜方向也基本垂直于通过使平面52a和平面52b相交而获得的交线。
通过如上所述形成的棱镜透镜50，当从侧面方向观察时用作折射光的棱镜。因此，如上所述形成的棱镜透镜50的使用能够将从波导6辐射的在倾斜方向的光偏转至直接向上方向(出射角度θ'＝0°)附近的方向(这解决第二问题)。另外，当从正面方向观察时，棱镜透镜50用作具有柱面透镜56的透镜。因此，如图1所示的柱面透镜10一样，出射光可以以特定的辐射角度θ被准直。
下面描述图26所示的棱镜透镜50的设计条件。棱镜透镜30的折射率为n＝1.5。柱面透镜56的曲率半径为R2＝7.4mm。棱镜透镜50的全长(X轴方向上的长度)为D1＝19.2mm。棱镜透镜本体52的中央处的高度为H3＝3.2mm，并且柱面透镜56的高度为H4＝2.5mm。棱镜透镜50的宽度方向的长度为D2＝11.0mm。从波导6至棱镜透镜50中心的距离为L0＝14.3mm。辐射角度θ为10°、30°。辐射散布角度为δΦ＝±15°(＝30°)。在这些条件下进行了模拟。在这种情况下，可以想到的是，如图26所示，辐射角度θ＝10°时可以实现出射角度θ'＝0°。应当注意，关于散布角度Φ'，在辐射角度θ＝10°时，半峰全宽δΦ'＝0.38°，在辐射角度θ＝30°时，半峰全宽δΦ'＝1.04°。因此，通过采用根据上述的第一和第二实施方式的棱镜透镜，独立于辐射角度θ，出射光束可以更好地被准直出射光束。
(第四实施方式)
接下来，描述第四实施方式。根据第四实施方式，描述了包括具有根据第一至第四实施方式的棱镜透镜的光偏转设备1的装置的示例。在下文中，描述了将光偏转设备1应用于LiDAR装置的示例。然而，根据第一至第四实施方式的棱镜透镜可应用于除LiDAR装置以外的装置。
图27示出了根据第四实施方式的LiDAR装置100。LiDAR装置100包括激光光源110、光偏转设备1和光检测器单元120。激光光源110造成用于测距的脉冲光或频率线性调频连续光射入光偏转设备1。光偏转设备1将由射入至光偏转设备1的光脉冲产生的出射光束辐射至测距目标90。
当由测距目标90反射并从其返回的出射光束的光由光偏转设备1接收时，接收的反射光射入至光检测器单元120。因此，光检测器单元120检测反射光。随后基于出射光束的时间与接收到反射光的时间之间的时间差或随频率线性调频光的时间发生的频率漂移，由LiDAR装置100计算至测距目标90的距离。
光检测器单元120可以设置在激光光源110和光偏转设备1之间的射入波导分支的路径的一端。滤光器可以设置在光偏转设备1和光检测器单元120之间。在这种情况下，由光偏转设备1接收的反射光可以在通过滤光器之后传播至光检测器单元120。激光光源110可以具有光检测器单元120的功能。在这种情况下，不需要单独提供光检测器单元120。
(变形示例)
应当注意，本发明不限于上述的实施方式，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下适当地改变。例如，根据上述的实施方式，柱面透镜具有截面为弧形的弯曲形状的形状。然而，柱面透镜不限于具有这种形状。如果柱面透镜具有透镜的功能，则截面的弯曲形状不需要是弧形的。换句话说，柱面透镜的弯曲形状不需要具有为柱面侧的一部分的形状。
根据第一实施方式和第二实施方式，棱镜透镜本体22的下平面22a的倾斜角度Θ小于上平面22b的倾斜角度Θ'。然而，本发明不限于此，可以满足Θ>Θ'。棱镜透镜可以具有通过竖直反转图10所示的棱镜透镜20而获得的形状。类似地，棱镜透镜可以具有通过竖直反转图15所示的棱镜透镜30而获得的形状。尽管根据第三实施方式，如图26所示，柱面透镜设置在棱镜透镜本体52的上平面52b上，但是本发明不限于这种构造。在柱面透镜设置在棱镜透镜本体的彼此不平行的、对向的一组平面中的一个上的情况下，柱面透镜可以设置在棱镜透镜本体52的下平面52a上。
本申请要求基于2018年10月30日提交的日本专利申请第2018-203714号的优先权，该专利申请的全部内容通过引用合并于此。
附图标记列表
1 光偏转设备
2 光子晶体波导
4 衍射光栅
6 波导
20 棱镜透镜
22 棱镜透镜本体
22a，22b 平面
24 柱面透镜
26 柱面透镜
30 棱镜透镜
50 棱镜透镜
52 棱镜透镜本体
52a，52b 平面
56 柱面透镜
100 LiDAR装置
110 激光光源
120 光检测器单元

Claims (4)

1.一种光偏转设备，所述光偏转设备包括：
棱镜透镜，所述棱镜透镜包括：
棱镜透镜本体，所述棱镜透镜本体具有相互距离从一端至另一端减小或增大的、对向的一组平面；以及
两个柱面透镜，所述两个柱面透镜与所述一组平面的两个平面成一体；以及
波导，所述波导具有通过在高折射率构件上周期性布置低折射率区域而形成的衍射光栅；
其中，所述棱镜透镜配置为使得从所述波导辐射的光从所述一组平面的一个平面射入并且从所述一组平面的另一平面射出，
其中，所述棱镜透镜本体形成为使得所述一组平面之间的距离朝向光入射到所述波导的方向的下游侧更短，
其中，所述柱面透镜形成为使得所述柱面透镜在一平面处的截面形状具有特定弯曲形状，该平面垂直于所述棱镜透镜本体的其上具有所述柱面透镜的平面相对于所述一组平面的另一平面的倾斜方向，所述特定弯曲形状相对于其上具有所述柱面透镜的平面凸出，
其中，所述两个柱面透镜的曲率至少在从所述波导辐射的光射入到所述棱镜透镜的入射位置和光从所述棱镜透镜射出的出射位置彼此相等，使得从所述波导辐射的光射入到所述棱镜透镜的入射角度的绝对值与光从所述棱镜透镜射出的出射角度的绝对值相等，并且
其中，从所述波导辐射的光的光源位置被设定为与从所述波导辐射的光所射入的柱面透镜侧的焦点一致，所述光源是由从所述波导辐射的光射入到所述棱镜透镜的入射角度的绝对值与光从所述棱镜透镜射出的出射角度的绝对值相等的情况下的光源。
2.根据权利要求1所述的光偏转设备，其中，其上具有所述柱面透镜的两个棱镜透镜本体彼此成一体，使得所述棱镜透镜本体的所述一组平面的倾斜方向对称。
3.根据权利要求1或2的光偏转设备，其中，所述棱镜透镜本体形成为使得所述一组平面的所述一个平面相对于所述波导的倾斜角度小于所述一组平面的所述另一平面相对于所述波导的倾斜角度。
4.一种LiDAR装置，所述LiDAR装置包括：
根据权利要求1所述的光偏转设备；
光源，所述光源配置为致使光射入所述光偏转设备；以及
光检测器单元，所述光检测器单元配置为检测由所述光偏转设备接收的光。
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