CN114994908A - 一种透镜辅助的二维光束扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜辅助的二维光束扫描装置，包括激光器，用于发射激光光束；级联光开关，包括多级级联的MZI和多个输出开关，通过多级级联的MZI将激光光束分成多路光束，然后通过调整每路光束的相位以控制光束从指定输出开关输出至指定的波导输出端口；波导阵列，包括波导输入端口、多个波导输出端口和矩阵波导阵列，每个波导输出端口与矩阵波导阵列中的每个波导依次对接；将级联光开关输出的光束依次经过波导输入端口从指定的波导输出端口输出至矩阵波导阵列以得到二维光束扫描；透镜组，用于将二维光束扫描准直并转向得到扩大扫描范围的二维光束扫描。该装置能够实现大范围，易控制二维光束扫描。

Description

一种透镜辅助的二维光束扫描装置

技术领域

本发明属于光束扫描装置领域，具体涉及一种透镜辅助的二维光束扫描装置。

背景技术

二维光束扫描在医学等诸多领域引起了广泛关注，其中对激光光束进行转向的装置是光束扫描的核心组成部分。目前常见的光束转向方案主要有机械式偏转、声光偏转、液晶偏转和集成光相控阵(OPA)等技术路线。

在扫描方式方面，机械旋转式Lidar是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动，也就是通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光(即32线或64线雷达)，形成多个面，达到动态3D扫描并动态接收信息的目的，其优点是发射和接收模块存在宏观意义上的转动，其扫描速度快：扫描速度只决于发射模块的电子学响应速度，不受材料的特性影响，可以实现比光学相控阵更高的扫描频率。接收视场小：这种扫描技术是一种发射和接收同步扫描技术，接收视场小，抗光干扰能力强，信噪比高。能达到360度的扫描角度，缺点是不好量产、装调工作量大、生产效率低、光通过每一个多棱镜的表面时，都会经历一段较短的不能接受光信号的时间，降低反射信号接收比，使得信号接收比大幅降低。

混合固态激光雷达用微动器件来代替宏观机械式扫描器，能够在微观尺度上激光扫描，从而降低成本。微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统，是用旋转的微振镜来反射光束从而实现扫描。其主要缺点是抗冲击可靠性存疑。旋转扫描镜激光雷达经常被用于车载，但是扫描角度不能到360度。从长远来看，二维光束扫描的主流趋势会转向全固态。

目前的片上二维光束扫描有两种实现途径，一种是在相控阵的纵轴和横轴方向均使用相位调制实现二维光束扫描，但该方法存在的问题是当要求扫描分辨率较高时，需要的相控阵阵元数目较多，并且每个阵元需要独立的相位调制器，控制电路复杂，相位调制所需的能耗高，不利于可移动设备等低功耗场景的应用。另一种是在一个轴向使用相位调制，另一轴向使用波长调节的方式实现二维光束扫描。该方法存在的问题是采用的波长扫描方式，需要波长可调光源，可调光源价格较高并且波长调节范围有限，实现的光束扫描范围较小。

因此，如何获得能够实现大范围、易控制的二维光束扫描的装置是目前片上扫描研究急需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种透镜辅助的二维光束扫描装置，该装置能够实现大范围，易控制二维光束扫描。

一种透镜辅助的二维光束扫描装置，包括沿光路布置的激光器、光开关、波导阵列、透镜组；

激光器，用于发射激光光束；

级联光开关，包括多级级联的MZI和多个输出开关，通过多级级联的MZI将激光光束分成多路光束，然后通过调整每路光束的相位以控制光束从指定输出开关输出至指定的波导输出端口；

波导阵列，包括波导输入端口、多个波导输出端口和矩阵波导阵列，每个波导输出端口与矩阵波导阵列中的每个波导依次对接；将级联光开关输出的光束依次经过波导输入端口从指定的波导输出端口输出至矩阵波导阵列以得到二维光束扫描；

透镜组，用于将二维光束扫描准直并转向得到扩大扫描范围的二维光束扫描。

输出开关与波导输出端口相对应。

级联光开关由多级级联的MZI组成，每个MZI包括分束器、耦合器、中间两臂和位于中间两臂的集成电控系统，光束通过分束器分成两束进入MZI两臂，由两臂上的集成电控系统对光束进行相位调控，然后通过耦合器将两臂光束耦合至一束进入下一个MZI开关。

集成电控系统由接触电极和加热电极组成，加热电极位于中间两臂上，用于通过调控中间两臂的温度来控制光束相位，接触电极与加热电极连接，用于将外部电流传输至加热电极。

波导阵列包括1个波导输入端口和水平排列的多个波导输出端口，多个波导输出端口与矩阵波导阵列一一对接，使得一维光束扫描转化为二维光束扫描。

每次只有一个波导输出端口发出光束，通过连续从波导输出端口发出至少三束光束，然后至少三束光束通过矩阵波导阵列以得到二维光束扫描。

透镜组的焦平面与波导阵列表面重叠，通过透镜组使得二维光束扫描准直并转向，最大光束转向角θ为：

其中，L为矩阵波导阵列的长度，f为透镜组的焦距；

光束发散角Δθ为：

其中，ω为波导输出端输出的光束直径大小；

光束角度的控制步长θ′为：

其中，p为矩阵波导阵列中的每个波导的距离；

通过调控最大光束转向角，光束发散角和光束角度的控制步长来扩大二维光束扫描的扫描范围。

离轴扫描距离与最大光束转向角呈线性关系。

波导阵列位于衬底硅上，波导阵列的芯层材料为硅。

与现有技术相比，本发明的优异效果为：

本发明通过级联开关调控多路光束的相位以控制光束进入指定的波导输出端口，以方便控制二维光束扫描范围，同时通过控制矩阵波导阵列的长度，矩阵波导阵列中的每个波导的距离来调控最大光束转向角，以达到扩大扫描范围，并方便调控扫描范围的目的。

附图说明

图1为具体实施方式提供的透镜辅助的二维光束扫描装置示意图，其中，1、激光器2、级联光开关3、光波导阵列4、透镜组5、探测器；

图2为具体实施方式提供的透镜组示意图；

图3为具体实施方式提供的偏转角与离轴距离关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种透镜辅助的二维光束扫描装置，如图1所示，包括沿光路布置的激光器、级联光开关、波导阵列和透镜组；激光器输出端连接到光开关的输入端，级联光开关的输出端与波导阵列连接，经由透镜组和探测器连接后输出二维光束扫描；所述激光器发射激光，级联光开关将激光光束分成多路光束进入波导阵列，利用集成电控系统作用于级联光开关进行光束选择，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。透镜组的焦平面与波导阵列表面重叠，从而完成了光束偏转与光束选择。

级联光开关，包括多级级联的MZI和16个输出开关；

其中，每个MZI包括分束器、耦合器、中间两臂和位于中间两臂的集成电控系统，光束通过分束器分成两束进入MZI中间两臂，由中间两臂上的集成电控系统对光束进行相位调控，然后通过耦合器将两臂光束耦合至一束进入下一个MZI开关。通过多级级联的MZI将激光光束分成多路光束，然后通过调整每路光束的相位以控制光束从16个输出开关中的指定输出开关输出至指定的波导输出端口。16个输出开关与16个波导输出端口一一对应。

集成电控系统由接触电极和加热电极组成，加热电极位于中间两臂上，用于通过调控中间两臂的温度来控制光束相位，接触电极与加热电极连接，用于将外部电流传输至加热电极。

本实例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线波导阵列，其芯层是硅材料，厚度为220nm，折射率为3.4744，中心波长为1550nm，采用热光效应作用于多模波导的相位改变区域。

波导阵列包括1个波导输入端口和水平排列的16个波导输出端口，16个波导输出端口与4×4矩阵波导阵列一一对接，矩阵波导阵列中的每个波导的距离为0.25mm，使得波导输出端口输出的一维光束扫描转化为4×4矩阵波导阵列的二维光束扫描。每次只有一个波导输出端口发出光束，通过连续从波导输出端口发出至少三束光束，然后至少三束光束通过矩阵波导阵列以得到二维光束扫描。

在波导阵列后放置一个透镜组，其焦平面与波导阵列表面重叠，每次只有一个发射端口发射光束。在光束经过透镜之前，不同发射端口发出的各个光束互相平行。光束经过透镜准直并转向，通过选择不同的发射端口出光，使输入光源指向不同的远场光束方向。

如图2所示，透镜组由3个镜片构成的透镜组，所有光束通过透镜后在焦平面上相交于一点S，波导输出端口与透镜焦平面的相对位置决定了该波导输出端口发射的光束经透镜准直后与光轴间的角度，通过选择不同的波导输出端口出光，可以使得S点光源指向不同的远场光束方向，最大光束转向角θ为：

其中，L为矩阵波导阵列的长度，f为透镜组的焦距；

光束发散角Δθ为：

其中，ω为波导输出端输出的光束直径大小；

光束角度的控制步长θ′为：

其中，p为矩阵波导阵列中的每个波导的距离；

通过调控最大光束转向角，光束发散角和光束角度的控制步长来扩大二维光束扫描的扫描范围。

本实例所波导矩阵阵列中的波导距离的间距为0.25mm，对应的光束转向角度的步长为0.35°，总转向角为1.05°×1.05°，从而得到较大的扫描范围。若需要获得更大的转向角，只需要增大发射阵列规模即可，即增加阵列数目，比如改为矩阵波导阵列为8×8。

通过不同离轴距离的光束经过透镜组后的偏转角度如图3所示，离轴距离小于5mm时,偏转角与离轴距离基本呈线性关系，而本发明提供的系统发射光束的最大离轴距离只有0.53mm，所以通过合理设计透镜组参数，使得在一定的离轴范围内偏转角与离轴距离基本呈线性关系，所用透镜组相当于一个焦距为40毫米、直径为20毫米的透镜。利用本发明提供的系统。

本实例所述二维扫描阵列的实施流程是:

激光器输出端连接到光开关的输入端，光开关的输出端与二维波导阵列连接，经由透镜组和光发射器阵列连接后输出，级联光开关上设有集成电控系统；所述激光器发射激光，级联光开关将激光分成多路光束进入波导阵列，利用集成电控系统作用于级联光开关进行相位调制，最终实现从光发射器阵列发射输出光的角度扫描。透镜组的焦平面与波导阵列表面重叠，从而完成了光束偏转与光束选择。

本实例中，接收端采用响应速度快、灵敏度高、阵列排布的光电探测器对目标物体的回波信号进行采集和处理，将其转换成电信号之后传递给信号处理电路，处理后的信号再传送给计算机进行进一步分析计算，从而得到目标物体的位置等信息，至此可以实现二维扫描。

由此可见，本发明将二维扫描阵列与透镜组光束选择结合，大大增加了该扫描方案的扫描范围，降低了控制复杂度，具有设计方便，便于扩展，结构紧凑等优点，具有突出显著的技术效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，包括沿光路布置的激光器、光开关、波导阵列和透镜组；

激光器，用于发射激光光束；

级联光开关，包括多级级联的MZI和多个输出开关，通过多级级联的MZI将激光光束分成多路光束，然后通过调整每路光束的相位以控制光束从指定输出开关输出至指定的波导输出端口；

波导阵列，包括波导输入端口、多个波导输出端口和矩阵波导阵列，每个波导输出端口与矩阵波导阵列中的每个波导依次对接；将级联光开关输出的光束依次经过波导输入端口从指定的波导输出端口输出至矩阵波导阵列以得到二维光束扫描；

透镜组，用于将二维光束扫描准直并转向得到扩大扫描范围的二维光束扫描。

2.根据权利要求1所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，输出开关与波导输出端口相对应。

3.根据权利要求1所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，级联光开关由多级级联的MZI组成，每个MZI包括分束器、耦合器、中间两臂和位于中间两臂的集成电控系统，光束通过分束器分成两束进入MZI两臂，由两臂上的集成电控系统对光束进行相位调控，然后通过耦合器将两臂光束耦合至一束进入下一个MZI开关。

4.根据权利要求2所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，集成电控系统由接触电极和加热电极组成，加热电极位于中间两臂上，用于通过调控中间两臂的温度来控制光束相位，接触电极与加热电极连接，用于将外部电流传输至加热电极。

5.根据权利要求1所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，波导阵列包括1个波导输入端口和水平排列的多个波导输出端口，多个波导输出端口与矩阵波导阵列一一对接，使得一维光束扫描转化为二维光束扫描。

6.根据权利要求1或5所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，每次只有一个波导输出端口发出光束，通过连续从波导输出端口发出至少三束光束，至少三束光束通过矩阵波导阵列以得到二维光束扫描。

7.根据权利要求1所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，透镜组的焦平面与波导阵列表面重叠，通过透镜组使得二维光束扫描准直并转向，最大光束转向角θ为：

其中，L为矩阵波导阵列的长度，f为透镜组的焦距；

光束发散角Δθ为：

其中，ω为波导输出端输出的光束直径大小；

光束角度的控制步长θ′为：

其中，p为矩阵波导阵列中的每个波导的距离；

通过调控最大光束转向角，光束发散角和光束角度的控制步长来扩大二维光束扫描的扫描范围。

8.根据权利要求7所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，离轴扫描距离与最大光束转向角呈线性关系。

9.根据权利要求1所述的透镜辅助的二维光束扫描装置，其特征在于，波导阵列位于衬底硅上，波导阵列的芯层材料为硅。

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