CN113359112A - 光学组件、包括其的激光雷达以及光束扫描方法 - Google Patents

光学组件、包括其的激光雷达以及光束扫描方法 Download PDF

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CN113359112A CN202010103692.8A CN202010103692A CN113359112A CN 113359112 A CN113359112 A CN 113359112A CN 202010103692 A CN202010103692 A CN 202010103692A CN 113359112 A CN113359112 A CN 113359112A
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卢炎聪
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Abstract

本发明涉及一种可用于激光雷达的光学组件，包括：液晶相控阵列，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折；和扫描器，设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。本发明实施例中将液晶相控阵列用于小角度的分辨率加密扫描，而另一个维度利用第二扫描器扫描(第二扫描器往往具有更大的扫描角，比如多面转镜、摆镜以及振镜等常见的扫描方式)。采用该混合扫描的方式，雷达能够具有较大的扫描视场角，较高的角度分辨率。

Description

光学组件、包括其的激光雷达以及光束扫描方法
技术领域
本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及可用于激光雷达的光学组件、包括该光学组件的激光雷达以及利用该光学组件进行光束扫描的方法。
背景技术
液晶阵列技术已经在各种显示器以及空间光调制器(SLM)等中被广泛应用。现有液晶相控阵列的单元间距一般在几微米量级，在扫描角度大时会出现严重的光栅旁瓣现象，同时系统复杂度和预期成本都很高。传统液晶相控阵列的响应速度在几ms量级，几百米探测距离时，雷达的飞行时间在几us量级；因此液晶相控阵列如果用作主扫描器，会出现在扫描过程中等待扫描角度状态切换的时间高于实际出光扫描的时间，从而浪费大量扫描时间拉低系统的点频。
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
针对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学组件，包括：
液晶相控阵列，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折；和
扫描器，设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。
根据本发明的一个方面，所述光学组件还包括设置在所述液晶相控阵列与所述扫描器之间的准直透镜，其中所述液晶相控阵列具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。
根据本发明的一个方面，所述光学组件还包括激光器，所述激光器发出的激光束经所述液晶相控阵列进行第一偏折，然后经所述扫描器进行第二偏折后出射。
根据本发明的一个方面，所述激光器还包括探测器，所述扫描器将接收自外部的光束进行第二偏折后，然后经过所述液晶相控阵列进行第一偏折后入射到所述探测器上。
根据本发明的一个方面，所述第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。
根据本发明的一个方面，所述扫描器包括摆镜或振镜。
根据本发明的一个方面，所述扫描器包括多面转镜，其中所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。
本发明还涉及一种激光雷达，包括：
激光器阵列，所述激光器阵列包括多个激光器，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；
光学组件，设置在所述激光器阵列的光路下游，以接收所述激光器发射出的激光束，所述光学组件包括：
液晶相控阵列，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折；和
扫描器，设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括设置在所述液晶相控阵列与所述扫描器之间的准直透镜，其中所述液晶相控阵列具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括探测器，所述扫描器将接收自外部的光束进行第二偏折后，然后经过所述液晶相控阵列进行第一偏折后入射到所述探测器上。
根据本发明的一个方面，所述第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。
根据本发明的一个方面，所述扫描器包括摆镜、振镜。
根据本发明的一个方面，所述扫描器包括多面转镜，其中所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。
本发明还涉及一种利用如上所述的光学组件在激光雷达中发射探测光束的方法，包括：
驱动激光雷达的激光器发出激光束；
通过所述液晶相控阵列，对所述激光束的传播方向进行第一偏折；和
通过所述扫描器，对所述激光束的传播方向进行第二偏折。
本发明还涉及一种利用如上所述的光学组件在激光雷达中接收雷达回波的方法，包括：
通过所述扫描器，对入射到其上的雷达回波的传播方向进行第二偏折；
通过所述液晶相控阵列，对所述雷达回波的传播方向进行第一偏折；和
通过所述激光雷达的探测器接收所述雷达回波。
本发明中将液晶相控阵列用于小角度的分辨率加密扫描，而另一个维度利用第二扫描器扫描(第二扫描器往往具有更大的扫描角，比如多面转镜、摆镜以及振镜等常见的扫描方式)。在光束偏转角较小时(比如几度)液晶相控阵列的光利用率可以达到90％以上(不考虑其他比如材料吸收损耗界面损耗等)，并且不会有明显的扫描旁瓣；此外，由于液晶相控阵列仅用于几个角度状态的加密扫描使用，因此液晶角度状态切换所需的等待时间对于系统点频的影响很低(举例说，如果切换5个角度状态，5ms角度状态切换时间，占用25ms，对于10赫兹帧频的系统，浪费的时间占比仅有四分之一)，另外，比如多面转镜中本身在靠近相邻多面镜棱线处就不能够出光，该扫描方式天然具有一定的发光占空比要求，从而可以与液晶角度切换几ms的切换时间相匹配(从系统设计层面并不存在采用液晶扫描引入的额外时间浪费)。
采用该混合扫描的方式，雷达能够具有较大的扫描视场角，较高的角度分辨率。
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1A示出了通过反射式液晶相控阵列改变光束传播方向的原理；
图1B示出了包括多个液晶像素的液晶相控阵列的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的光学组件的示意图；
图3示出了多面转镜的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的利用本发明光学组件在激光雷达中发射探测光束的方法；和
图5示出了根据本发明一个实施例的利用本发明光学组件在激光雷达中接收雷达回波的方法。
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1A示出了通过反射式的液晶相控阵列改变光束传播方向的原理。图1A所示的是液晶相控阵列的剖视图，其中示出了液晶相控阵列的两个子单元(像素)。如图1A所示，液晶相控阵列包括CMOS基底、反射电极、液晶层、对齐层、ITO电极以及玻璃。通过对液晶阵列中不同像素施加一定的驱动电压，改变液晶层中液晶的双折射系数，就可以使入射光产生相应的相位差，使得反射光的波前产生一定的偏转，波前的偏转角度(既反射光束的偏转角度)通过以下公式计算：
Figure BDA0002387751250000061
其中d为液晶层厚度，Δn(V)为受电压影响的液晶双折射系数，λ为波长。
如图1A所示，给液晶相控阵列的反射电极施加电压后，使得反射光束Lout相对于入射光束Lin偏转了角度θ。本领域技术人员容易理解，图1A中所示的为反射式液晶相控阵列。液晶相控阵列也可以为透射式的，简言之，对于透射式液晶相控阵列而言，Lin与Lout不在同侧，具体结构此处不再赘述。
图1B示出了包括多个液晶像素的液晶相控阵列。其中该液晶相控阵列包括多个段，例如沿着水平方向分布的n个段，每段中包括多列液晶像素(也称为元素)，每列中包括多个液晶像素(如图中沿着竖直方向分布的多个液晶像素)。图1B中右侧的图形以及图1A中均示出了其中两个液晶像素的竖直方向剖视图。所述多个段、多列可以单独控制，也可以同步控制。
本发明的第一方面涉及一种光学组件(或光束偏折装置)，其可用于激光雷达，从而改变出射的探测光束的方向，或者改变接收的雷达回波的方向。下面参考附图详细描述。
如图2所示，光学组件100包括液晶相控阵列101和扫描器102，其中液晶相控阵列101配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折，扫描器102设置在所述液晶相控阵列的光路下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折，扫描器102比液晶相控阵列101的偏折力度更大，也就是第二偏折大于第一偏折，扫描器102可以实现比液晶相控阵列101幅度更大的角度偏折。
如图2所示，激光器103发射出第一激光束L1，照射到液晶相控阵列101上，在图2中，液晶相控阵列101为透射式。类比图1A所示的原理，液晶相控阵列102中不同像素被施加一定的驱动电压，改变液晶层中液晶的双折射系数，使得从液晶相控阵列102出射的第二激光束L2相对于第一激光束产生第一偏折，如图2所示，第二激光束L2的传播方向相对于第一激光束L1发生了一定的偏转。第二激光束L2照射到所述扫描器102上，通过扫描器2，使得出射的第三激光束L3相对于第二激光束L2发生第二偏折，如图2所示，第三激光束L3的传播方向相对于第二激光束L2发生了一定的偏转。所述扫描器102可以包括摆镜或振镜，通过反射扫描的方式使得入射到其上的第二激光束L2发生第二偏折，而且是相对于液晶实现的偏折而言，更大幅度的偏折。
根据本发明的一个优选实施例，扫描器102包括多面转镜，其中所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。图3示出了多面转镜的一个示意图。如图3所示，多面转镜具有多个反射面，图中所示为相对的两个反射面M11和M12。多面转镜可围绕其转轴旋转，当光束入射到反射面M11和M12上时，分别被反射并扫描出射。根据本发明的一个实施例，多面转镜的每一个反射面对应一个液晶偏转角(例如通过改变施加到液晶相控阵列101的电压来改变液晶偏转角)。例如在反射面M11对应一个液晶偏转角，在反射面M11面切换至反射面M12时，此时激光器103不出光，液晶相控阵列101切换一个偏转角，待切换后角度状态稳定之后，以新的液晶偏转角状态和多面转镜的反射面M12配合扫描。在具有更多反射面时工作原理与此类似。
图2中，扫描器102设置在所述液晶相控阵列101的光路下游，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，扫描器102也可设置在所述液晶相控阵列的光路上游，即设置在图2中液晶相控阵列101的左侧，这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个实施例，所述液晶相控阵列101可施加多个电压，从而产生多个第一偏折角度。也即液晶相控阵列101具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。根据本发明的一个优选实施例，第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。图1A中，假设第一激光束L1的传播方向为水平方向，第二激光束L2相对于水平方向的最大角度为θ2，第三激光束L3相对于水平方向的最大角度为θ3，那么满足θ3-θ2＞θ2。需要说明的是，此处只是一个例子，液晶相控阵列101与扫描器102可以对光束实现相同维度方向的偏折，也可以实现不同维度方向的偏折。比如液晶相控阵列101与扫描器102均实现光束在雷达的垂直方向的偏折，从而实现垂直方向的扩束。又比如，也可以参考图3对应的实施例，液晶相控阵列101实现在雷达的垂直方向的偏折，扫描器102实现在雷达水平方向的偏折，二者相互配合，实现二维扫描。
如前所述，传统液晶相控阵列的响应速度在几ms量级，几百米探测距离时，雷达的飞行时间在几us量级；因此液晶相控阵列如果用作主扫描器，会出现在扫描过程中等待扫描角度状态切换的时间高于实际出光扫描的时间，从而浪费大量扫描时间拉低系统的点频。
本发明上述实施例中，将液晶相控阵列用于小角度的分辨率加密扫描，而另一个维度利用第二扫描器扫描(第二扫描器往往具有更大的扫描角，比如多面转镜、摆镜以及振镜等常见的扫描方式)。在光束偏转角较小时(比如几度)液晶相控阵列的光利用率可以达到90％以上(不考虑其他比如材料吸收损耗界面损耗等)，并且不会有明显的扫描旁瓣；此外，由于液晶相控阵列仅用于几个角度状态的加密扫描使用，因此液晶角度状态切换所需的等待时间对于系统点频的影响很低(举例说，如果切换5个角度状态，5ms角度状态切换时间，占用25ms，对于10赫兹帧频的系统，浪费的时间占比仅有四分之一)，另外，比如多面转镜中本身在靠近相邻多面镜棱线处就不能够出光，该扫描方式天然具有一定的发光占空比要求，从而可以与液晶角度切换几ms的切换时间相匹配(从系统设计层面并不存在采用液晶扫描引入的额外时间浪费)。采用该混合扫描的方式，雷达能够具有较大的扫描视场角，较高的角度分辨率。
如图2所示，所述光学组件100可包括多个激光器103的阵列，例如布置在一个或多个基板上。
根据本发明的一个优选实施例，所述光学组件100还包括探测器104构成的探测器阵列。所述探测器104例如光电二极管、APD、SiPM等，其可以将接收到的光信号转换为电信号。如图2所示，第三激光束L3照射到目标物上形成探测光斑，在目标物表面发生漫反射，其中反射的回波光束L4返回到光学组件100，照射到所述扫描器102上，所述扫描器102将回波光束L4进行第二偏折后，将回波光束L5入射到液晶相控阵列101上，然后经过所述液晶相控阵列101进行第一偏折后的回波光束L6入射到所述探测器104上。图2中激光器103的阵列与探测器104的阵列被示出为设置在同一个电路板基底上，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，激光器103的阵列与探测器104的阵列可以容易地设置在不同的电路板基底上。
如图2中所示的，激光器103的阵列与探测器104的阵列共用一个光学组件100。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，激光器103的阵列与探测器104的阵列可以分别具有单独的光学组件100，这些都在本发明的保护范围内。另外在激光器103的阵列与探测器104的阵列分别具有单独的光学组件100的情况下，用于发射的光学组件100和用于接收的光学组件100优选处于相同的状态，即处于相同的角度状态，包括液晶相控阵列101处于相同的角度状态，扫描器102处于相同的角度状态。
根据本发明的一个优选实施例，所述光学组件100还包括设置在所述液晶相控阵列101与所述扫描器102之间的准直透镜，用于对光束进行准直调制。
本发明还涉及一种激光雷达，包括激光器阵列和如上所述的光学组件100，其结构例如图2所示的。所述激光器阵列包括多个激光器，每个激光器可被单独驱动以发出激光束。光学组件设置在所述激光器阵列的光路下游，以接收所述激光器发射出的激光束，所述光学组件包括液晶相控阵列和扫描器，其中液晶相控阵列配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折，扫描器设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。其中所述液晶相控阵列可具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。优选的，其中所述第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。
所述的激光雷达还包括探测器，所述扫描器将接收自外部的光束进行第二偏折后，然后经过所述液晶相控阵列进行第一偏折后入射到所述探测器上。所述扫描器包括摆镜、振镜、或多面转镜，所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。
另外，根据本发明的实施例，激光雷达的发射端和接收端可独立采用所述光学组件。例如发射端可采用包括液晶阵列的光学组件扫描加密，以10个激光器为例，每个液晶相位阵列加密5次(即具有5个角度状态)，从而变为50线；而接收端可以不采用液晶阵列加密，直接使用50个探测器接收；反之亦然。
如图4所示，本发明还涉及一种利用如上所述的光学组件100在激光雷达中发射探测光束的方法200，包括：
在步骤S201，驱动激光雷达的激光器发出激光束；
在步骤S202，通过所述液晶相控阵列，对所述激光束的传播方向进行第一偏折；和
在步骤S203，通过所述扫描器，对所述激光束的传播方向进行第二偏折。
如图5所示，本发明还涉及一种利用如上所述的光学组件100在激光雷达中接收雷达回波的方法300，包括：
在步骤S301，通过所述扫描器，对入射到其上的雷达回波的传播方向进行第二偏折；
在步骤S302，通过所述液晶相控阵列，对所述雷达回波的传播方向进行第一偏折；和
在步骤S303，通过所述激光雷达的探测器接收所述雷达回波。
以上描述了根据本发明的优选实施例的可用于偏折光束的光学组件、激光雷达以及发射和接收方法。本发明实施例中将液晶相控阵列用于小角度的分辨率加密扫描，而另一个维度利用第二扫描器扫描(第二扫描器往往具有更大的扫描角，比如多面转镜、摆镜以及振镜等常见的扫描方式)。采用该混合扫描的方式，雷达能够具有较大的扫描视场角，较高的角度分辨率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
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 (15)

1.一种可用于激光雷达的光学组件，包括：
液晶相控阵列，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折；和
扫描器，设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。
2.如权利要求1所述的光学组件，还包括设置在所述液晶相控阵列与所述扫描器之间的准直透镜，其中所述液晶相控阵列具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。
3.如权利要求1或2所述的光学组件，还包括激光器，所述激光器发出的激光束经所述液晶相控阵列进行第一偏折，然后经所述扫描器进行第二偏折后出射。
4.如权利要求1或2所述的光学组件，还包括探测器，所述扫描器将接收自外部的雷达回波进行第二偏折后，然后经过所述液晶相控阵列进行第一偏折后入射到所述探测器上。
5.如权利要求1或2所述的光学组件，其中所述第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。
6.如权利要求1或2所述的光学组件，其中所述扫描器包括摆镜或振镜。
7.如权利要求1或2所述的光学组件，其中所述扫描器包括多面转镜，其中所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。
8.一种激光雷达，包括：
激光器阵列，所述激光器阵列包括多个激光器，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；
光学组件，设置在所述激光器阵列的光路下游，以接收所述激光器发射出的激光束，所述光学组件包括：
液晶相控阵列，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第一偏折；和
扫描器，设置在所述液晶相控阵列的光路上游或下游，配置成可对入射到其上的激光束的传播方向进行第二偏折。
9.如权利要求8所述的激光雷达，还包括设置在所述液晶相控阵列与所述扫描器之间的准直透镜，其中所述液晶相控阵列具有多个角度状态，每个角度状态对应一个第一偏折角度。
10.如权利要求8或9所述的激光雷达，还包括探测器阵列，所述探测器阵列包括多个探测器，所述扫描器将接收自外部的雷达回波进行第二偏折后，然后经过所述液晶相控阵列进行第一偏折后入射到所述探测器上。
11.如权利要求8或9所述的激光雷达，其中所述第二偏折的角度范围大于所述第一偏折的角度范围。
12.如权利要求8或9所述的激光雷达，其中所述扫描器包括摆镜、振镜。
13.如权利要求8或9所述的激光雷达，其中所述扫描器包括多面转镜，其中所述多面转镜的多个反射面之间的转换时间与所述液晶相控阵列的切换时间匹配。
14.一种利用如权利要求1-7中任一项所述的光学组件在激光雷达中发射探测光束的方法，包括：
驱动激光雷达的激光器发出激光束；
通过所述液晶相控阵列，对所述激光束的传播方向进行第一偏折；和
通过所述扫描器，对所述激光束的传播方向进行第二偏折。
15.一种利用如权利要求1-7中任一项所述的光学组件在激光雷达中接收雷达回波的方法，包括：
通过所述扫描器，对入射到其上的雷达回波的传播方向进行第二偏折；
通过所述液晶相控阵列，对所述雷达回波的传播方向进行第一偏折；和
通过所述激光雷达的探测器接收所述雷达回波。
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