CN113126061A - 一种激光雷达及其扫描方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达及其扫描方法，所述激光雷达包括：激光产生模块，用于产生第一光信号；液晶扫描模块，所述液晶扫描模块用于获取所述第一光信号并输出第二光信号，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向具有偏转角且所述偏转角可调；其中，所述液晶扫描模块包括：液晶层，所述液晶层适于在外加电压的作用下调节所述偏转角，以对目标空间进行扫描。通过本发明提供的方案无需额外设置运动模块既能实现空间扫描，能够有效改善激光雷达的稳定性，且成本低、扫描速度快。

Description

一种激光雷达及其扫描方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体地涉及一种激光雷达及其扫描方法。
背景技术
现有激光雷达的扫描模块大体分为两种：一种是通过转子之类的机械机构同时旋转光源和探测器，以对目标空间进行扫描；另一种则是通过如振镜等的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)改变光源发射的激光束的出射方向，完成对目标空间的扫描。
无论采用上述何种扫描方式，均依赖运动模块来改变激光束的出射方向，而运动模块在运动期间无法避免地会发生抖动，影响激光雷达的稳定性。为提高稳定性，运动模块只能以较低转速驱动光源旋转，导致现有这种机械式的空间扫描的扫描速度慢。另一方面，MEMS还存在成本高的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何实现无运动模块的激光雷达方案，以提高稳定性并兼顾低成本和较快的扫描速度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光雷达，包括：激光产生模块，用于产生第一光信号；液晶扫描模块，所述液晶扫描模块用于获取所述第一光信号并输出第二光信号，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向具有偏转角且所述偏转角可调；其中，所述液晶扫描模块包括：液晶层，所述液晶层适于在外加电压的作用下调节所述偏转角，以对目标空间进行扫描。
可选的，所述对目标空间进行扫描包括：所述第二光信号在第一扫描平面内对所述目标空间进行扫描；所述激光雷达还包括：整形器，所述整形器用于获取所述第二光信号并输出单道或多道第三光信号，所述单道或多道第三光信号位于第二扫描平面内。
可选的，所述第二扫描平面与所述第一扫描平面具有不为零的预设夹角。
可选的，所述第一光信号包括单道或多道入射光束，所述第二光信号包括单道或多道偏转光束，所述偏转光束与所述入射光束一一对应，所述整形器用于获取所述单道或多道偏转光束中的至少部分偏转光束并输出单道或多道所述第三光信号。
可选的，所述液晶扫描模块还包括：电压输入模块，所述电压输入模块与所述液晶层耦接，所述电压输入模块适于向至少部分液晶层施加电压。
可选的，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向的偏转角根据以下一个或多个参数确定：所述液晶层在被施加所述外加电压前后的折射率；对于被施加外加电压的至少部分液晶层，所述至少部分液晶层被施加所述外加电压后的折射率较之被施加所述外加电压前的折射率的变化率；所述第一光信号在临界面的入射角，所述第一光信号在所述临界面发生折射并转变为所述第二光信号；所述第二光信号在所述临界面的出射角。其中，所述临界面是所述液晶层内折射率存在差异的区域的一个交界面。
可选的，所述电压输入模块包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对地设置于所述液晶层沿纵向方向的同一侧或两侧，所述纵向方向与所述第一光信号的传输方向具有不为零的夹角，所述外加电压为通过所述第一电极和所述第二电极向所述液晶层施加的电压。
可选的，除面向所述第一电极和第二电极的面外，所述液晶层还包括多个面，所述第一光信号自所述多个面中的任一个射入所述液晶层，且所述第二光信号自所述多个面中的任一个射出。
可选的，所述第一电极和第二电极分别与所述至少部分液晶层相接触，且所述第一电极和所述第二电极各自与所述至少部分液晶层的接触面的外轮廓为具有预设几何形状的闭合曲线。
可选的，所述第一电极包括多个第一子电极，所述第二电极包括多个第二子电极，所述多个第一子电极和多个第二子电极两两相对的设置于所述液晶层沿所述纵向方向的同一侧或两侧，每一第一子电极、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向位于所述第一子电极和第二子电极之间的液晶层区域组成偏转单元，且每一第一子电极和对应的第二子电极用于向位于其间的液晶层区域施加电压，多个偏转单元中的第一个偏转单元用于获取所述第一光信号，所述多个偏转单元中的最后一个偏转单元用于输出所述第二光信号，所述多个偏转单元中的后一个偏转单元的输入光信号为前一个偏转单元的输出光信号，并且，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的输出光信号的传播方向与所述偏转单元获取的输入光信号的传播方向之间具有偏转角。可选的，所述偏转单元输出的输出光信号的传播方向与所述偏转单元获取的输入光信号的传播方向之间的偏转角不为零。
可选的，所述多个偏转单元包括第一部分偏转单元和第二部分偏转单元，其中，所述第一部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角，不同于所述第二部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角。
可选的，不同偏转单元的第一子电极和第二子电极向位于其间的液晶层区域施加的电压不相同。
可选的，所述第一光信号包括多道入射光束，所述第二光信号包括多道偏转光束，所述入射光束和偏转光束一一对应，所述第一电极包括多个第一子电极，所述第二电极包括多个第二子电极，所述多个第一子电极和多个第二子电极沿所述纵向方向两两相对的设置于所述液晶层的两侧，每一第一子电极、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向位于所述第一子电极和第二子电极之间的液晶层区域组成偏转单元，且每一第一子电极和对应第二子电极用于向位于其间的液晶层区域施加电压，每一偏转单元用于获取对应的入射光束并输出所述偏转光束。
可选的，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的偏转光束的传输方向随所述偏转单元的外加电压的变化而变化以形成子扫描平面，所述多个偏转单元形成的子扫描平面覆盖所述液晶扫描模块的扫描平面。
可选的，不同偏转单元形成的子扫描平面的面积不相同。
可选的，所述激光雷达还包括：分束器，所述分束器用于将所述激光产生模块产生的单道激光束转换为所述多道入射光束；或者所述激光产生模块包括多个激光器，其中每一激光器用于发射一道激光束，所述多个激光器发生的多道激光束形成所述多道入射光束。
可选的，所述激光雷达还包括：沿所述纵向方向位于所述液晶层的一侧或两侧的盖板，所述第一电极和所述第二电极设置于所述盖板。
可选的，所述液晶扫描模块的数量为多个，并且，多个液晶扫描模块各自的扫描平面两两正交。
可选的，所述液晶层的材料包括蓝相液晶材料。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种如上述的激光雷达的扫描方法，包括：接收扫描指令；根据所述扫描指令向所述液晶扫描模块的液晶层施加所述外加电压，以基于所述液晶扫描模块产生的所述第二光信号对目标空间进行扫描，其中，所述外加电压按预设波形和预设频率变化；获取所述第二光信号在所述目标空间内的反射信息，以得到对所述目标空间的扫描结果。
可选的，所述预设频率的范围为0至10KHz。
可选的，所述预设波形包括：脉冲波；非线性波。
可选的，所述偏转角的变化率与所述外加电压的波形和变化率正相关，所述液晶层的折射率的变化率与所述外加电压的波形和变化率正相关，其中，所述液晶层的折射率的变化率是指所述液晶层被施加所述外加电压的部分被施加外加电压前后的折射率的变化率。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种激光雷达，包括：激光产生模块，用于产生第一光信号；液晶扫描模块，所述液晶扫描模块用于获取所述第一光信号并输出第二光信号，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向具有偏转角且所述偏转角可调；其中，所述液晶扫描模块包括：液晶层，所述液晶层适于在外加电压的作用下调节所述偏转角，以对目标空间进行扫描。
较之现有基于专门的运动模块实现空间扫描的激光雷达，本实施例方案提供的激光雷达采用电压驱动液晶的方式来改变激光束的出射方向，无需额外设置运动模块既能完成对目标空间的扫描，并且，由于液晶扫描模块是以液晶层的分子结构变化来改变激光束的出射方向，液晶扫描模块本身没有发生运动，能够有效改善激光雷达的稳定性，且成本低、扫描速度快。
进一步，所述对目标空间进行扫描包括：所述第二光信号在第一扫描平面内对所述目标空间进行扫描；所述激光雷达还包括：整形器，所述整形器用于获取所述第二光信号并输出单道或多道第三光信号，所述单道或多道第三光信号位于第二扫描平面内。进一步，所述第二扫描平面与所述第一扫描平面具有不为零的夹角。由此，通过简单的光学整形即可实现两个不同平面内的扫描，进而实现三维空间扫描，成本低且易于实现。
进一步，所述第一光信号包括单道或多道入射光束，所述第二光信号包括单道或多道偏转光束，所述入射光束和偏转光束一一对应，所述第一电极包括多个第一子电极，所述第二电极包括多个第二子电极，所述多个第一子电极和多个第二子电极沿所述纵向方向两两相对的设置于所述液晶层的两侧，每一第一子电极、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向位于所述第一子电极和第二子电极之间的液晶层区域组成偏转单元，且每一第一子电极和对应的第二子电极用于向位于其间的液晶层区域施加电压，每一偏转单元用于获取对应的入射光束并输出所述偏转光束。由此，可以通过液晶扫描阵列的方式形成扫描平面，并且，由于每一偏转单元形成的子扫描单元可以相对较小，使得每一偏转单元施加的外加电压可以适当减小，利于降低激光雷达的功耗。
进一步，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的偏转光束的传输方向随施加给所述偏转单元的外加电压的变化而变化以形成子扫描平面，所述多个偏转单元形成的子扫描平面覆盖所述液晶扫描模块的扫描平面。由此，本实施例所述基于多波束的液晶扫描阵列可以应用于高速应用场景，由于单束偏转光束的单次扫描行程仅为对应的子扫描平面内，使得完成单次扫描的用时大大缩短，利于优化激光雷达的扫描频率。
本发明实施例还提供一种如上述的激光雷达的扫描方法，包括：接收扫描指令；根据所述扫描指令向所述液晶扫描模块的液晶层施加所述外加电压，以基于所述液晶扫描模块产生的所述第二光信号对目标空间进行扫描，其中，所述外加电压按预设波形和预设频率变化；获取所述第二光信号在所述目标空间内的反射信息，以得到对所述目标空间的扫描结果。由此，无需额外设置运动模块既能完成对目标空间的扫描，扫描方案整体稳定性高、成本低、扫描速度快。
附图说明
图1是本发明实施例的第一种激光雷达的原理示意图；
图2是图1中液晶扫描模块的第一种结构的示意图；
图3是图2所示液晶扫描模块的俯视图；
图4是图1中液晶扫描模块的第二种结构的俯视图；
图5是本发明实施例的第二种激光雷达的部分原理示意图；
图6是图5所示激光雷达在一个典型应用场景中的侧视图；
图7是图5所示激光雷达在一个典型应用场景中的俯视图；
图8是本发明实施例的第三种激光雷达的部分原理示意图；
图9是本发明实施例的一种激光雷达的扫描方法的流程图。
具体实施方式
如背景技术所言，现有的激光雷达需要运动模块实现目标空间的扫描，运动模块在驱动光源部件旋转以改变激光束出射方向的过程中，不可避免的会出现抖动等问题，导致激光雷达的稳定性差、扫描速度慢，且有些运动模块的成本高，不利于市场推广普及。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光雷达，包括：激光产生模块，用于产生第一光信号；液晶扫描模块，所述液晶扫描模块用于获取所述第一光信号并输出第二光信号，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向具有偏转角且所述偏转角可调；其中，所述液晶扫描模块包括：液晶层，所述液晶层适于在外加电压的作用下调节所述偏转角，以对目标空间进行扫描。
本实施例方案提供的激光雷达采用电压驱动液晶的方式来改变激光束的出射方向，无需额外设置运动模块既能完成对目标空间的扫描，并且，由于液晶扫描模块是以液晶层的分子结构变化来改变激光束的出射方向，液晶扫描模块本身没有发生运动，能够有效改善激光雷达的稳定性，且成本低、扫描速度快。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
接下来，参照附图来详细说明本发明的实施例。各图中对同一部分标注同一标号。各实施例只是例示，当然可以对以不同实施例所示的结构进行部分置换或组合。变形例中，省略关于与图1所示实施例共同的事项的描述，仅针对不同点进行说明。尤其，针对同样的结构所产生的同样的作用效果，不再按每个实施例逐一提及。
图1是本发明实施例的第一种激光雷达的原理示意图。
具体地，本实施例所述激光雷达可以应用于目标空间的扫描场景，所述目标空间可以是二维也可以是三维。对所述目标空间的扫描结果可以用于测距、虚拟现实(VirtualReality，简称VR)成像等多种领域。
在一个具体实施中，参考图1，本实施例所述的激光雷达1可以包括：激光产生模块11，用于产生第一光信号s1，将所述第一光信号s1的传输方向记作第一方向。
激光产生模块11用于输出激光束，如可以为激光器。本实施例将自激光产生模块11输出的激光束记作所述第一光信号s1。
在一个具体实施中，第一光信号s1的第一方向可以是固定不变的。也即，在激光雷达1工作期间，自激光产生模块11出射的激光束的出射方向不变，激光产生模块11自身不会发生旋转等机械运动。
在一个具体实施中，继续参考图1，所述激光雷达1还可以包括：液晶扫描模块12，所述液晶扫描模块12沿所述第一方向设置于所述激光产生模块11的前方，所述液晶扫描模块12可以用于获取所述第一光信号s1并输出第二光信号s2，将所述第二光信号s2的传输方向记作第二方向，所述第二方向相对于所述第一方向具有偏转角且所述偏转角可调。
具体地，所述液晶扫描模块12用于改变所述第一光信号s1的传播方向，使得自液晶扫描模块12出射的第二光信号s2的传播方向能够在特定平面(如第一扫描平面13)内来回运动，以实现对目标物a的空间扫描。
不同于现有技术，在本实施例中，所述液晶扫描模块12本身并不会发生旋转等机械运动，而是通过改变施加给所述液晶扫描模块12中的液晶层121(如图2所示)的外加电压来调节所述偏转角。并且，由于偏转是因液晶层121内液晶材料的分子级运动引发的，宏观上激光雷达1内没有器件发生旋转等运动，所述激光雷达1本身也没有机械运动，使得激光雷达1的整体稳定性得到有效保障。
在一个具体实施中，继续参考图1，所述激光雷达1还可以包括：探测器(detector)14，用于接收自目标物a反射的光信号，以得到对目标空间的扫描结果。其中，所述自目标物a反射的光信号可以是所述第二光信号s2照射至所述目标物a而反射的光信号。或者，所述自目标物a反射的光信号也可以是所述第二光信号s2经过光学调制后(如下述第三光信号s3)照射至所述目标物a而反射的光信号。
接下来结合图2和图3对所述液晶扫描模块12的结构作具体阐述。其中，
图2是图1中液晶扫描模块12的第一种结构的示意图，图3是图2所示液晶扫描模块的俯视图。
参考图2，所述液晶扫描模块12可以包括：液晶层121，以及沿纵向方向(图示z方向)分别设置于液晶层121两侧的盖板122。其中，沿图示z方向，将位于液晶层121上方的盖板122称为上盖板，将位于液晶层121下方的盖板122称为下盖板。
例如，所述盖板122可以采用玻璃材料制成。
进一步地，所述液晶扫描模块12还可以包括电压输入模块，所述电压输入模块可以包括第一电极123和第二电极124。其中：第一电极123可设置于所述上盖板，第二电极124可设置于所述下盖板。并且，所述第一电极123和第二电极124是相对的设置于所述液晶层121沿纵向方向(图示z方向)的两侧的。也即，所述第一电极123指向第二电极124的方向平行于所述纵向方向(图示z方向)。
例如，所述第一电极123和第二电极124均可以以电镀的形式形成于对应的盖板122。
在一个变化例中，所述第一电极123和第二电极124可以相对的设置于所述上盖板或者下盖板，此时，所述第一电极123和第二电极124相对的设置于所述液晶层121沿z方向的同一侧。具体地，可以采用平面转换(in-plane switching，简称IPS)技术实现。例如，参考图2，在所述上盖板或下盖板上，可以沿第一方向间隔地设置两个电极，该间隔设置的两个电极即为所述第一电极123和第二电极124。
进一步地，在本变化例中，可以仅在液晶层121设置有电极的一侧设置所述盖板122。
在一个具体实施中，参考图2和图3，所述纵向方向(图示z方向)与所述第一方向具有不为零的夹角，以使所述第一光信号s1能够顺利入射至所述液晶层121，而不会被第一电极123或第二电极124阻挡。
需要指出的是，图2和图3是以第一方向垂直于z方向为例进行示例性描述的，在实际应用中，在确保所述第一光信号s1穿过第一电极123和第二电极124之间的液晶层121区域的前提下，所述第一方向还可以以与z方向成30°、60°等夹角的角度入射所述液晶层121。
进一步地，所述第二方向随着外加电压V的变化而变化以形成所述第一扫描平面13(如图1所示)，从而实现对所述目标空间的扫描。其中，所述电压输入模块与所述液晶层121耦接，由此，所述外加电压V为通过所述第一电极123和第二电极124向所述液晶层121施加的电压，所述第一扫描平面13垂直于所述纵向方向(图示z方向)。
具体地，所述第一扫描平面13可以为扇形面。
例如，所述第一电极123和第二电极124可以外接电源，以向所述液晶层121施加所述外加电压V。
在一个具体实施中，所述第一扫描平面13可以平行于水平面。此时，所述z方向可以为重力方向，所述第一方向可以为水平方向。
在一个变化例中，通过调节所述第一方向与水平方向的夹角、所述纵向方向(图示z方向)和重力方向的夹角，和/或所述液晶层121内液晶材料的分子排布方向，可以调节所述第一扫描平面13与水平面的夹角，以使所述激光雷达1能够适用于结构复杂的扫描空间。如通过调节第一扫描平面13与水平面的夹角来避开扫描空间内特定位置的障碍物，以确保对目标物a的准确扫描。
例如，当需要扫描位于较低处的目标物a时，可以使第一扫描平面13较之水平面斜向下，以使所述第一扫描平面13能够有效覆盖所述目标物a所处区域。
又例如，当所述z方向为横向方向且与所述第一方向相垂直时，相当于将图2示出的液晶扫描模块12以第一方向为轴自转90°，此时，所述第一扫描平面13可以为竖直面(即与水平面相垂直)，所述激光雷达1能够扫描前方不同高度处的目标物a。
在一个具体实施中，所述第一电极123和第二电极124沿所述第一扫描平面13的截面的形状可以为多边形。
例如，图2和图3均是以所述第一电极123和第二电极124沿所述第一扫描平面13的截面的形状为三角形为例进行示例性展示的。
在实际应用中，所述第一电极123和第二电极124沿所述第一扫描平面13的截面的形状还可以为圆形、矩形、五边形等形状。
在一个变化例中，所述第一电极123和第二电极124各自与所述液晶层121的接触面的外轮廓可以为具有预设几何形状的闭合曲线，所述闭合曲线可以是闭合光滑曲线，所述预设几何形状可以为圆形、多边形、或不规则几何形状等，所述多边形可以为三角形、矩形、或五边形等。
在一个具体实施中，第一电极123和第二电极124可以分别与至少部分液晶层121相接触，以通过施加外加电压来改变接触部分液晶层121的折射率。
在一个具体实施中，在确保足够的偏转角度的基础上，所述第一电极123和第二电极124沿所述第一扫描平面13的截面的面积可以尽可能的缩小，以减小所述激光雷达1的整体体积。
在一个具体实施中，继续参考图1至图3，所述第二方向相对于所述第一方向的偏转角(记作Δα)可以根据以下一个或多个参数确定：所述液晶层121在被施加所述外加电压V前后的折射率；对于被施加外加电压的至少部分液晶层121，所述至少部分液晶层121被施加所述外加电压V后的折射率n1较之被施加所述外加电压V前的折射率n2的变化率Δn；所述第一光信号s1在临界面121a的入射角θ，所述临界面121a为所述液晶层121内折射率存在差异的区域的一个交界面，并且，所述第一光信号s1在所述临界面121a发生折射并转变为所述第二光信号s2；所述第二光信号s2在所述临界面121a的出射角α。其中，所述临界面121a是所述液晶层121内折射率存在差异的区域的一个交界面。
具体而言，假设所述液晶层121内填充的液晶材料在未被施加外加电压V时的折射率为n2，被施加外加电压V后的折射率变为n1。
对应到图3，在施加外加电压V的情况下，沿纵向方向(图示z方向)，位于三角形的第一电极123和第二电极124之间的液晶层121区域(如图2中点划线描绘的三棱柱所示)的液晶材料在外加电压V的作用下发生偏转，使得液晶层121在三棱柱区域的折射率为n1。液晶层121在三棱柱区域以外的液晶材料由于未受到外加电压V的影响，因此折射率仍为n2。
也即，所述折射率的变化率Δn＝|n2-n1|。并且，所述折射率的变化率Δn的大小可以随着外加电压V的变化而变化。例如，外加电压V越大，所述折射率的变化率Δn越大。
进一步地，根据在图2和图3示出的电极的形状(例如直角三角形)以及第一光信号s1的入射角度，所述临界面121a为第一电极123和第二电极124各自的直角三角形的斜边沿纵向方向的连接面。
此时，第一光信号s1自三棱柱出射并进入液晶层121的其他区域时发生折射，折射后的光信号即为所述第二光信号s2。
将所述第一光信号s1与垂直于所述临界面121a的法线的夹角记作所述入射角θ，将所述第二光信号s2与所述法线的夹角记作出射角α。
根据光学折射原理，可以得到等式：n1×sinθ＝n2×sinα；进一步可以换算得到Δn×sinθ～n2×cosα×Δα，其中，“～”是指正相关。由此，可以推算得到所述第二方向相对于所述第一方向的偏转角Δα～(Δn/n1)×tanα。
基于前述分析，液晶层121的折射率的变化率Δn与外加电压V相关。因此，通过调节所述外加电压V，能够控制所述第二光信号s2相对于第一光信号s1的偏转程度。例如，在单次扫描过程中，可以逐渐增大所述外加电压V，使得所述第二光信号s2按特定方向偏转以完成对目标空间的扫描。其中，所述特定方向可以为在所述第一扫描平面13上按顺时针或逆时针方向偏转。
进一步地，通过对所述第一电极123和第二电极124进行设计，还能够调节所述出射角α，这同样可以达到调节偏转角Δα的效果。
在一个变化例中，所述第一电极123和第二电极124可以基本完全覆盖所述液晶层121沿z方向的两侧，此时所述临界面121a为图2中立方体形状的液晶层121的平行于z方向的四个面中的任一个，所述第二方向相对于所述第一方向的偏转角Δα可以根据空气的折射率和所述液晶层121中液晶材料在所述外加电压V作用下的折射率确定。
在一个具体实施中，所述第一光信号s1在自液晶层121未被施加外加电压V的区域入射所述三棱柱区域时，可以是以垂直于入射面的方式入射的，以使第一光信号s1不会在入射三棱柱时就发生折射，而是在自三棱柱出射时再发生折射。
在一个变化例中，通过改变所述第一电极123和第二电极124的形状，和/或第一光信号s1的入射角度，可以使得第一光信号s1在进入三棱柱区域时即发生一次折射，并可以在离开三棱柱区域时再次发生折射，以增大第二方向相对于所述第一方向的偏转角Δα。
由上，本实施例方案提供的激光雷达1采用电压驱动液晶的方式来改变激光束的出射方向，无需额外设置运动模块既能完成对目标空间的扫描，并且，由于液晶扫描模块12是以液晶层121的分子结构变化来改变激光束的出射方向，液晶扫描模块12本身没有发生运动，能够有效改善激光雷达1的稳定性，且成本低、扫描速度快。
具体而言，本实施例方案利用液晶随电压改变取向的特性，使得自所述液晶层121出射的第二光信号s2的第二方向相对于入射时的第一光信号s1的第一方向发生偏转。在此基础上，通过改变对液晶层121施加的外加电压V来实现扇区扫描。
在一个具体实施中，除设置有所述第一电极123和第二电极124的一侧或两侧外，所述液晶层121还可以包括多个面，所述第一光信号s1可以自所述多个面中的任一个射入所述液晶层121，且所述第二光信号s2可以自所述多个面中的任一个射出。
例如，通过调节所述外加电压V，和/或所述第一电极123和第二电极124的形状和面积，可以使得所述第一光信号s1和第二光信号s2自所述液晶层121的同一个面射入和射出。换言之，所述第一扫描平面13可以不局限于所述液晶扫描模块12前方的扇形区域，而是可以扩大至以所述液晶扫描模块12为圆心的整个平面。由此，所述激光雷达1能够对其所处空间进行360°的全方位扫描。
在一个变化例中，参考图4，所述第一电极123可以包括多个第一子电极125，所述第二电极124可以包括多个第二子电极(图未示)，所述多个第一子电极125和多个第二子电极两两相对的设置于所述液晶层121沿所述纵向方向(图示z方向)的两侧。
每一第一子电极125、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向(图示z方向)位于所述第一子电极125和第二子电极之间的液晶层121区域组成偏转单元(图未示，可参考图2示出的三棱柱)，且每一第一子电极125和对应的第二子电极用于向位于其间的液晶层121区域施加电压，多个偏转单元中的第一个偏转单元可以用于获取所述第一光信号s1，所述多个偏转单元中的最后一个偏转单元可以用于输出所述第二光信号s2，所述多个偏转单元中的后一个偏转单元的输入光信号为前一个偏转单元的输出光信号，并且，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的输出光信号的传播方向与所述偏转单元获取的输入光信号的传播方向之间具有偏转角。
进一步地，所述偏转单元输出的输出光信号的传播方向与所述偏转单元获取的输入光信号的传播方向之间的偏转角可以不为零。
也即，通过设置多个级联的偏转单元，能够逐渐地对第一光信号s1进行偏转，以增大第二方向相对于第一方向的偏转角，进而增大第一扫描平面13的辐射角度和覆盖面积，使得第一扫描平面13可以不局限于所述液晶扫描模块12沿第一方向的前方。由于每一偏转单元对其获取的输入光信号的偏转角可以相对较小，使得每一偏转单元施加的外加电压V可以适当减小，利于降低激光雷达1的功耗。
在一个具体实施中，多个第一子电极125可以在同一直线上，相应的，多个第二子电极也可以在同一直线上。
或者，多个第一子电极125可以零散地分布于同一平面，以根据需求实现不同的第二方向相对于第一方向的偏转角，如图4所示。
在一个具体实施中，多个第一子电极125中相邻第一子电极125之间的间距可以相同，相应的，多个第二子电极中相邻第二子电极之间的间距可以相同。
或者，多个第一子电极125可以不是等间距排布的，类似的，多个第二子电极可以不是等间距排布的。
在一个变化例中，所述多个第一子电极125的形状可以相同也可以不相同，只要确保相对的第一子电极125和第二子电极的形状和面积相同即可。
在一个具体实施中，不同偏转单元的第一子电极125和第二子电极向位于其间的液晶层区域施加的电压不相同。
在一个变化例中，所述多个偏转单元可以包括第一部分偏转单元和第二部分偏转单元，其中，所述第一部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角，可以不同于所述第二部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角。
例如，所述第一部分偏转单元的子电极的形状，可以不同于第二部分偏转单元的子电极的形状。
又例如，所述第一部分偏转单元的子电极施加的电极电压，可以不同于所述第二部分偏转单元的子电极施加的电极电压。
再例如，所述第一部分偏转单元所包围的液晶层121的折射率的变化率Δn，可以不同于所述第二部分偏转单元所包围的液晶层121的折射率的变化率Δn。
在一个变化例中，采用IPS技术，所述多个第一子电极125和多个第二子电极可以两两对应的设置于所述液晶层121沿z方向的同一侧。
在一个变化例中，所述液晶扫描模块12的数量可以为多个，并且，多个液晶扫描模块12各自的第一扫描平面13两两正交。由此，可以实现对三维空间的扫描。
进一步地，每一液晶扫描模块12可以是独立运行的。
或者，所述多个液晶扫描模块12可以是同步运行的。
在一个典型的应用场景中，考虑到液晶材料随外加电压V的变化而改变取向可能存在略微的延迟，当所述激光雷达1应用于监视等静置或低速场景，则所述液晶层121内填充的液晶材料可以采用一般的液晶材料实现，以充分利用普通液晶价格低廉的特点，极大的降低激光雷达1的成本。
而当所述激光雷达1应用于汽车等对扫描频率具有较高要求的高速场景时，可以采用蓝相(blue phase)液晶材料这类对外加电压V的变化响应速度较快的液晶材料，或者通过特殊的光学设计(如采用图6示出的基于多波束的液晶扫描阵列)来降低对单束激光束的扫描速度的要求。
图5是本发明实施例的第二种激光雷达的部分原理示意图。此处仅主要针对激光雷达2与上述图1至图3所示激光雷达1的不同之处进行说明。(图5未示出探测器14。)
在本实施例中，与上述激光雷达1的区别主要在于，所述激光雷达2还可以包括：整形器21，所述整形器21沿所述第二方向设置于所述液晶扫描模块12的前方，所述整形器21可以用于获取所述第二光信号s2并输出单道或多道第三光信号s3，所述单道或多道第三光信号s3位于第二扫描平面22内。
进一步，所述第二扫描平面22与所述第一扫描平面13可以具有预设夹角，所述预设夹角的大小可以不为零。
具体地，所述整形器21可以为光束整形器(也可称为整形光学器件)。在本实施例中，通过增设所述整形器21实现对目标物a的面扫描，成本低且易于实现。
在一个具体实施中，所述整形器21可以用于将入射的第二光信号s2发散的输出为多道第三光信号s3。例如，所述整形器21可以为分光器。例如，所述第二光信号s2可以包括一道偏转光束(或多道相对聚集的偏转光束)，所述偏转光束经过所述分光器时，受到所述分光器影响而发散，使得自所述分光器出射的多道第三光信号s3能够沿着第二扫描平面22传输。
在一个变化例中，所述整形器21可以仅起到准直作用，以将第二光信号s2的传输方向整形为更适合于扫描目标空间的方向。例如，所述整形器21可以为特殊设计的透镜组。其中，所述透镜组可以包括柱形透镜。
进一步地，通过设置所述整形器21的摆放角度，可以使得所述整形平面22相对于所述第一扫描平面13具有不为零的夹角。
在实际应用中，可以根据需要探测的场景设计不同的整形器21，以优化探测性能。在一个典型的应用场景中，参考图6和图7，可以通过所述整形器21的设计，使得所述激光雷达2的出射光束沿水平方向的截面(如图7所示)及其沿竖直方向的截面(如图6所示)可以均是扇形光束，这样可以在同一个激光雷达器件上，模拟地构建两个独立器件扫描两个空间方向角。其中，所述激光雷达2的出射光束沿水平方向的截面可以位于所述第一扫描平面13，所述激光雷达2的出射光束沿竖直方向(图示z方向)的截面可以位于所述第二扫描平面22。
相较于图1至图3所示激光雷达1是以第二光信号s2进行线扫描，对目标物a的扫描结果为第一扫描平面13与目标物a相交的区域。本实施例所述激光雷达1通过整形器21将第二光信号s2整形为沿整形平面22传输的第三光信号s3。由此，随着外加电压V的变化，所述激光雷达2是以面扫描的方式对目标物a进行空间(三维)扫描的。
在一个变化例中，所述第一光信号s1可以包括单道或多道入射光束，相应的，所述第二光信号s2可以包括单道或多道偏转光束，并且所述偏转光束与所述入射光束一一对应。
进一步地，所述整形器21可以用于获取所述单道或多道偏转光束中的至少部分偏转光束并输出单道或多道所述第三光信号s3。
换言之，所述整形器21可以仅对所述液晶扫描模块12输出的第二光信号s2中的部分激光束进行整形，以使所述激光雷达2能够同时以线扫描和面扫描的方式对目标空间进行扫描。
例如，所述激光产生模块11可以包括多个激光器，其中每一激光器用于发射一束激光束，所述多个激光器发出的多道激光束形成所述多道入射光束。
图8是本发明实施例的第三种激光雷达的部分原理示意图。此处仅主要针对激光雷达3与上述图1至图3所示激光雷达1的不同之处进行说明。
在本实施例中，与上述激光雷达1的区别主要在于，所述第一光信号s1可以包括多道入射光束s11，所述第二光信号s2可以包括多道偏转光束s21，所述入射光束s11和偏转光束s21一一对应，所述第一电极123可以包括多个第一子电极125，所述第二电极124可以包括多个第二子电极(图未示)，所述多个第一子电极125和多个第二子电极沿所述纵向方向(图示z方向)两两相对的设置于所述液晶层121的两侧，每一第一子电极125、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向(图示z方向)位于所述第一子电极125和第二子电极之间的液晶层121区域组成偏转单元(图未示，可参考图2中的三棱柱)，且每一第一子电极125和对应第二子电极用于向位于其间的液晶层121区域施加电压，每一偏转单元可以用于获取对应的入射光束s11并输出所述偏转光束s21。
例如，可以通过设置多个分束器(beam splitter)32将所述激光产生模块11产生的单道激光束(如所述第一光信号s1)转换为多道入射光束s11，并使每一道入射光束s11输入对应的偏转单元。
在一个具体实施中，不同的偏转单元的子电极的形状和面积可以相同，也可以不同。
进一步地，经不同的偏转单元偏转输出的偏转光束s21与输入的入射光束s11的偏转角可以相同，也可以不相同。
在一个具体实施中，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的偏转光束s21的传输方向随所述偏转单元的外加电压V的变化而变化以形成子扫描平面131，所述多个偏转单元形成的子扫描平面131覆盖所述第一扫描平面13。由此，可以通过液晶扫描阵列的方式形成第一扫描平面13，并且，由于每一偏转单元形成的子扫描单元131可以相对较小，使得每一偏转单元施加的外加电压V可以适当减小，利于降低激光雷达3的功耗。
在一个具体实施中，不同偏转单元形成的子扫描平面131的面积可以不相同。例如，通过设计使得不同偏转单元施加的外加电压V不同，或者，不同偏转单元的子电极的形状、面积不同，可以改变子扫描平面131的面积。
在一个具体实施中，相邻子扫描平面131之间可以存在交叉的扫描区域，以避免出现扫描死角。
在一个具体实施中，每一偏转单元对偏转光束s21的偏转方向和偏转角的调节速度可以是相同的。也即，偏转光束s21在各自的子扫描平面131内的扫描速度和扫描方向保持同步。
在一个变化例中，各偏转单元可以是独立地控制偏转光束s21在对应的子扫描平面131内的扫描速度和扫描方向。
由上，图6示出的基于多波束的液晶扫描阵列可以应用于高速应用场景，由于单束偏转光束s21的单次扫描行程仅为对应的子扫描平面131内，使得完成单次扫描的用时大大缩短，利于优化激光雷达3的扫描频率。
图9是本发明实施例的一种激光雷达的扫描方法的流程图。本实施例所述激光雷达可以为上述图1至图8所示实施例所述激光雷达。
具体地，参考图9，本实施例所述扫描方法可以包括如下步骤：
步骤S701，接收扫描指令；
步骤S702，根据所述扫描指令向所述液晶扫描模块12的液晶层121施加所述外加电压V，以基于所述液晶扫描模块产生的所述第二光信号s2对所述目标空间进行扫描，其中，所述外加电压V按预设波形和预设频率变化；
步骤S703，获取所述第二光信号s2在所述目标空间内的反射信息，以得到对所述目标空间的扫描结果。
在一个具体实施中，所述预设频率的范围可以为0至10KHz。
在一个具体实施中，所述预设波形可以包括脉冲波。所述脉冲波可以为三角波、梯形波或锯齿波。
所述预设波形还可以包括非线性波。所述非线性波可以为正弦波或余弦波。
在一个具体实施中，所述外加电压V的变化可以与激光雷达1(或激光雷达2、激光雷达3)的角分辨率相关。
具体地，所述偏转角的变化率可以与所述外加电压V的波形和变化率正相关。
所述液晶层121的折射率的变化率Δn可以与所述外加电压V的波形和变化率正相关，其中，所述液晶层121的折射率的变化率Δn是指所述液晶层121被施加所述外加电压V的部分被施加外加电压V前后的折射率的变化率。
在一个具体实施中，所述外加电压的波形可以为任意函数形式的波形，可以根据目标空间的扫描需求调整具体波形。例如，所述波形可以为梯形波、三角波等线性变化的波。又例如，所述波形还可以为正弦波、正切函数波等具有曲率变化的波。
具体而言，在小信号区域，可以施加三角形波的外加电压以实现均匀扫描。其中，小信号区域可以指施加给液晶层121的电场强度小于3×106伏/米时的应用场景。随着电场强度的进一步增大，所述偏转角的变化率、所述液晶层121的折射率的变化率Δn与所述外加电压V的变化率之间可能不再呈严格的线性关系，此时，可以适当调整所述外加电压V的波形，以修正非线性变化导致的扫描偏差。
在一个具体实施中，所述扫描指令可以包括所述目标空间的区域范围、扫描频率等。响应于接收到所述扫描指令，所述激光雷达1可以根据扫描指令选择合适的波形和预设频率执行扫描操作。
在一个具体实施中，所述反射信息可以由所述探测器14接收，以获取所述扫描结果。具体地，可以根据所述反射信息，利用相位调制(Phase Modulation)的方法获取所述扫描结果，然而本发明实施例不限于此。其中获取所述扫描结果包括获取障碍物相对于所述激光雷达的方位、距离等。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (22)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：
激光产生模块，用于产生第一光信号；
液晶扫描模块，所述液晶扫描模块用于获取所述第一光信号并输出第二光信号，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向具有偏转角且所述偏转角可调；
其中，所述液晶扫描模块包括：液晶层，所述液晶层适于在外加电压的作用下调节所述偏转角，以对目标空间进行扫描。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述对目标空间进行扫描包括：所述第二光信号在第一扫描平面内对所述目标空间进行扫描；所述激光雷达还包括：
整形器，所述整形器用于获取所述第二光信号并输出单道或者多道第三光信号，所述单道或者多道第三光信号位于第二扫描平面内。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一光信号包括单道或者多道入射光束，所述第二光信号包括单道或多道偏转光束，所述偏转光束与所述入射光束一一对应，所述整形器用于获取所述单道或多道偏转光束中的至少部分偏转光束并输出单道或多道所述第三光信号。
4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述液晶扫描模块还包括：电压输入模块，所述电压输入模块与所述液晶层耦接，所述电压输入模块适于向至少部分液晶层施加电压。
5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述第二光信号的传输方向相对于所述第一光信号的传输方向的偏转角根据以下一个或多个参数确定：所述液晶层在被施加所述外加电压前后的折射率；对于被施加外加电压的至少部分液晶层，所述至少部分液晶层被施加所述外加电压后的折射率较之被施加所述外加电压前的折射率的变化率；所述第一光信号在临界面的入射角，所述第一光信号在所述临界面发生折射并转变为所述第二光信号；所述第二光信号在所述临界面的出射角。
6.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述电压输入模块包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对地设置于所述液晶层沿纵向方向的同一侧或两侧，所述纵向方向与所述第一光信号的传输方向具有不为零的夹角，所述外加电压为通过所述第一电极和所述第二电极向所述液晶层施加的电压。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，除面向所述第一电极和第二电极的面外，所述液晶层还包括多个面，所述第一光信号自所述多个面中的任一个射入所述液晶层，且所述第二光信号自所述多个面中的任一个射出。
8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别与所述至少部分液晶层相接触，且所述第一电极和所述第二电极各自与所述至少部分液晶层的接触面的外轮廓为具有预设几何形状的闭合曲线。
9.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第一电极包括多个第一子电极，所述第二电极包括多个第二子电极，所述多个第一子电极和多个第二子电极两两相对的设置于所述液晶层沿所述纵向方向的同一侧或两侧，每一第一子电极、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向位于所述第一子电极和第二子电极之间的液晶层区域组成偏转单元，且每一第一子电极和对应的第二子电极用于向位于其间的液晶层区域施加电压，多个偏转单元中的第一个偏转单元用于获取所述第一光信号，所述多个偏转单元中的最后一个偏转单元用于输出所述第二光信号，所述多个偏转单元中的后一个偏转单元的输入光信号为前一个偏转单元的输出光信号，并且，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的输出光信号的传播方向与所述偏转单元获取的输入光信号的传播方向之间具有偏转角。
10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述多个偏转单元包括第一部分偏转单元和第二部分偏转单元，其中，所述第一部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角，不同于所述第二部分偏转单元包括的每一偏转单元的输出光信号和输入光信号的传播方向之间的偏转角。
11.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，不同偏转单元的第一子电极和第二子电极向位于其间的液晶层区域施加的电压不相同。
12.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第一光信号包括多道入射光束，所述第二光信号包括多道偏转光束，所述入射光束和偏转光束一一对应，所述第一电极包括多个第一子电极，所述第二电极包括多个第二子电极，所述多个第一子电极和多个第二子电极沿所述纵向方向两两相对的设置于所述液晶层的两侧，每一第一子电极、对应的第二子电极以及沿所述纵向方向位于所述第一子电极和第二子电极之间的液晶层区域组成偏转单元，且每一第一子电极和对应第二子电极用于向位于其间的液晶层区域施加电压，每一偏转单元用于获取对应的入射光束并输出所述偏转光束。
13.根据权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，对于每一偏转单元，所述偏转单元输出的偏转光束的传输方向随所述偏转单元的外加电压的变化而变化以形成子扫描平面，所述多个偏转单元形成的子扫描平面覆盖所述液晶扫描模块的扫描平面。
14.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，不同偏转单元形成的子扫描平面的面积不相同。
15.根据权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：分束器，所述分束器用于将所述激光产生模块产生的单道激光束转换为所述多道入射光束；或者
所述激光产生模块包括多个激光器，其中每一激光器用于发射一道激光束，所述多个激光器发生的多道激光束形成所述多道入射光束。
16.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，还包括：沿所述纵向方向位于所述液晶层的一侧或两侧的盖板，所述第一电极和所述第二电极设置于所述盖板。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述液晶扫描模块的数量为多个，并且，多个液晶扫描模块各自的扫描平面两两正交。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述液晶层的材料包括蓝相液晶材料。
19.一种如权利要求1至18任一项所述的激光雷达的扫描方法，其特征在于，包括：
接收扫描指令；
根据所述扫描指令向所述液晶扫描模块的液晶层施加所述外加电压，以基于所述液晶扫描模块产生的所述第二光信号对目标空间进行扫描，其中，所述外加电压按预设波形和预设频率变化；
获取所述第二光信号在所述目标空间内的反射信息，以得到对所述目标空间的扫描结果。
20.如权利要求19所述的激光雷达的扫描方法，其特征在于，所述预设频率的范围为0至10KHz。
21.根据权利要求19所述的激光雷达的扫描方法，其特征在于，所述预设波形包括：脉冲波；非线性波。
22.根据权利要求19所述的激光雷达的扫描方法，其特征在于，所述偏转角的变化率与所述外加电压的波形和变化率正相关，所述液晶层的折射率的变化率与所述外加电压的波形和变化率正相关，其中，所述液晶层的折射率的变化率是指所述液晶层被施加所述外加电压的部分被施加外加电压前后的折射率的变化率。
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