CN115113174A - 一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法 - Google Patents

一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法 Download PDF

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CN115113174A CN202210704097.9A CN202210704097A CN115113174A CN 115113174 A CN115113174 A CN 115113174A CN 202210704097 A CN202210704097 A CN 202210704097A CN 115113174 A CN115113174 A CN 115113174A
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谭凤泽
朱瑞
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Abstract

本发明提供了一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法，其中，该角度放大器包括：多个放大单元，每个放大单元对应一个相位分布，相位分布表示射入放大单元的光束的入射角与放大单元能够调制的相位之间的对应关系；放大单元能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出，第一角度小于第二角度，且第二角度小于90度。通过使用该角度放大器，可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达的情况，不仅整体体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。

Description

一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法。
背景技术
现有的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜激光雷达的扫描角度通常在40°以内，其扫描角度较小，单独的一个MEMS振镜激光雷达无法实现以较大的角度进行扫描，当需要扩大扫描角度时，通常需将多个MEMS振镜激光雷达拼接在一起方可实现大角度扫描，这样的方式极大地增加了激光雷达的数量，同时也增加了激光雷达的使用成本，导致其无法满足市场对激光雷达越发严苛的要求，如更加小型化、轻量化、简洁化和低成本等。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种角度放大器、发射系统及角度放大器的设计方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种角度放大器，包括：多个放大单元，每个所述放大单元对应一个相位分布，所述相位分布表示射入所述放大单元的光束的入射角与所述放大单元能够调制的相位之间的对应关系；所述放大单元能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出，所述第一角度小于所述第二角度，且所述第二角度小于90度。
可选地，多个所述放大单元沿x方向并列排布；所述角度放大器为超表面，所述角度放大器还包括用于生长多个所述放大单元的第一基底；所述放大单元包括多个沿垂直于x方向排布且相同的第一纳米结构，具有相同x坐标的第一纳米结构对应相同的相位分布；所述第一纳米结构能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。
可选地，第一纳米结构的相位分布满足
Figure BDA0003705547630000021
Figure BDA0003705547630000022
其中，
Figure BDA0003705547630000023
表示在所述第一基底的x位置对应的所述放大单元中每个第一纳米结构所对应的相位分布；
Figure BDA0003705547630000024
表示常数相位；x表示所述放大单元中每个第一纳米结构在x方向上所处的位置；θ2表示所述第二角度，θ1表示所述第一角度，k表示波数且
Figure BDA0003705547630000025
no表示所述角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
可选地，多个所述放大单元呈阵列式排布；所述角度放大器为超表面，所述角度放大器还包括用于生长多个所述放大单元的第二基底，且所述第二基底位于xoy平面；每个所述放大单元包括至少一个第二纳米结构；所述第二纳米结构的相位分布满足
Figure BDA0003705547630000026
Figure BDA0003705547630000027
其中，
Figure BDA0003705547630000028
表示在所述第二基底的(x,y)坐标位置对应的所述第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以所述角度放大器所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与所述入射光束所在平面以及所述角度放大器所在平面相垂直的平面；φ2表示以所述第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；
Figure BDA0003705547630000029
表示常数相位；θ2表示所述第二角度，θ1表示所述第一角度，k表示波数且
Figure BDA00037055476300000210
no表示所述角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
可选地，第二角度与所述第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。
可选地，第一基底在工作波段透明，所述放大单元中的第一纳米结构能够将以所述第一角度入射的光束，以所述第二角度透射出去。
可选地，该角度放大器还包括反射层，所述反射层设置于所述第一基底与所述放大单元之间；所述反射层能够将射入所述反射层(13)表面的光束反射出去。
可选地，角度放大器为多层衍射光学元件或者菲涅尔透镜。
第二方面，本发明实施例还提供了一种发射系统，上述任一角度放大器、MEMS振镜和光源；所述MEMS振镜设置于所述光源的出光侧，用于将所述光源发射的光束以第一角度射入角度放大器，并沿x方向扫描；所述角度放大器设置于所述MEMS振镜的出光侧，用于将以所述第一角度射入的光束调制为以第二角度射出。
可选地，光源包括垂直腔体激光器。
可选地，光源发射的光束包括单束准直激光；或者，多束线性排布的激光阵列。
可选地，在所述光源发射的光束为单束准直激光的情况下，所述MEMS振镜实现二维扫描；在所述光源发射的光束为多束沿垂直于x方向排布的激光阵列的情况下，所述MEMS振镜实现一维扫描。
第三方面，本发明实施例还提供了一种角度放大器的设计方法，包括：确定所述角度放大器的工作波长；确定所述光束的第一角度与所述光束从所述角度放大器射出后的第二角度之间的关系；确定所述角度放大器中每个放大单元对应的纳米结构的相位分布；在纳米结构数据库中，选择与所述相位分布相对应的纳米结构的数据，生成所述角度放大器。
本发明实施例上述第一方面提供的方案中，该角度放大器能够基于其所具有的多个放大单元，将以较小角度射入其中的光束调制为以较大角度(但不超过90度)的光束射出，以实现对角度的扩大。通过使用该角度放大器，可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达进行扫描角度的扩大的情况，不仅使能够实现大扫描角度的MEMS振镜激光雷达的体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。
本发明实施例上述第二方面提供的方案中，通过在MEMS振镜的出光侧加入角度放大器，可以扩大该MEMS振镜反射出的光束的角度，即扩大该发射系统在扫描区域上的扫描范围，无需采用多个具有MEMS振镜的发射系统即可实现扩束的目的，降低成本，减轻发射系统整体体积。
本发明实施例上述第三方面提供的方案中，仅需根据该角度放大器的工作波长以及第一角度与第二角度之间的关系，便可直接通过数学关系式计算得到不同位置上的纳米结构所对应的相位分布，并直接在纳米结构数据库中找到相应的纳米结构的数据，最终生成角度放大器。采用该方法可以更加简洁明了地确定纳米结构的相位分布，快速且精准的生成能够将入射光束进行扩大为某一角度的角度放大器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种角度放大器的俯视图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种角度放大器的主视图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种为超表面的角度放大器的主视图；
图4示出了本发明实施例所提供的一种为超表面的角度放大器的俯视图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种反射式角度放大器的示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的透射式角度放大器中，第一纳米结构相位分布的推导原理示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的另一种为超表面的角度放大器的俯视图；
图8示出了本发明实施例所提供的另一种为超表面的角度放大器中，第二纳米结构相位分布的推导原理示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的发射系统中，使用能够实现透射的角度放大器的发射系统的示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的发射系统中，使用能够实现反射的角度放大器的发射系统的示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的角度放大器的设计方法的流程图；
图12示出了本发明实施例所提供的角度放大器的设计方法中，实施例一对应的第一角度与相位分布的关系图；
图13示出了本发明实施例所提供的角度放大器的设计方法中，实施例二对应的第一角度与相位分布的关系图。
图标：
1-角度放大器、11-放大单元、111-第一纳米结构、12-第一基底、13-反射层、14-第二基底、2-MEMS振镜、3-光源。
具体实施方式
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”、“竖直”、“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该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；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。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。
本发明实施例提供了一种角度放大器，参见图1所示，该角度放大器包括：多个放大单元11，每个放大单元11对应一个相位分布，相位分布表示射入放大单元11的光束的入射角与放大单元11能够调制的相位之间的对应关系；图1为该角度放大器的俯视图。
如图2所示，放大单元11能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出，第一角度小于第二角度，且第二角度小于90度；图2为该角度放大器的主视图，且图2中以该角度放大器的下方为入光侧、该角度放大器的上方为出光侧示出；相应地，第一角度为θ1，第二角度为θ2。
在本发明实施例所提供的角度放大器中，每个放大单元11可以是任意结构，例如其可以是方形的结构，圆形结构，或者其也可以是长条形的结构，本发明实施例对此不做限定。如图1所示，图1示出了放大单元11为长条形结构的角度放大器的俯视图；其中，每个放大单元11分别对应一个相位分布，不同放大单元11可以对应不同的相位分布；该相位分布用于表示一种对应关系，即射入放大单元11的光束的入射角与该放大单元11可以调制的相位之间的对应关系。换句话说，每个放大单元11具有能够将射入其中的入射角为第一角度的光束，经过相位的调制使该光束以第二角度射出的功能；并且，经放大单元11所调制射出的光束所对应的第二角度(出射角)大于射入该放大单元11的光束所对应的第一角度(入射角)，即该角度放大器具有出射角大于入射角的关系；此外，为了避免发生全反射效应，该第二角度应小于90度。可选地，在本发明实施例中，该角度放大器可以是多层衍射光学元件(Multilevel Diffractive Optical Elements,MDOEs)或者菲涅尔透镜(Fresnel Lens,FL)等光学器件。
本发明实施例所提供的角度放大器能够基于其所具有的多个放大单元11，将以较小角度射入其中的光束调制为以较大角度(但不超过90度)的光束射出，以实现对角度的扩大。通过使用该角度放大器，可以直接将MEMS振镜激光雷达的扫描角度进行扩大，避免了拼接多个MEMS振镜激光雷达进行扫描角度的扩大的情况，不仅使能够实现大扫描角度的MEMS振镜激光雷达的体积更加小型且轻量化，同时还减少了成本。
可选地，参见图1所示，多个放大单元11沿x方向并列排布；其中，多个放大单元11沿x方向并列排布，并且，x方向是为了方便放置放大单元11所设定的一个方向，本发明实施例为方便描述多个放大单元11的摆放情况，可以令这些放大单元11按图1所示的水平向右的方向为x方向，相应地，该角度放大器的主视图可以参见图2所示。
参见图3所示，角度放大器为超表面，角度放大器还包括用于生长多个放大单元11的第一基底12；例如，多个放大单元11可以沿x方向生长在该第一基底12的同一侧，如图3中该第一基底12的上侧，即该角度放大器的出光侧。
参见图4所示，图4为该角度放大器的俯视图。每个放大单元11包括多个沿垂直于x方向排布且相同的第一纳米结构111，具有相同x坐标的第一纳米结构111对应相同的相位分布；第一纳米结构111能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。
在本发明实施例所提供的为超表面的角度放大器中，如图4所示，每个放大单元11所包括的第一纳米结构111可以在第一基底12一侧沿垂直于x方向的方向上一一排列；并且，每个放大单元11所包括的多个第一纳米结构111具有相同的相位分布，换句话说，在同一个放大单元11中的任何一个第一纳米结构111结构相同，都可以将以第一角度射入其中的光束调制为大于该第一角度且小于90度的第二角度射出。例如，该角度放大器为超表面，若该角度放大器上某一个放大单元11中的每个第一纳米结构111所对应的相位分布，都是能够将射入每个第一纳米结构111的光束的入射角(如第一角度：15度)调制为以某个出射角(如第二角度：30度)射出的分布，则当射入该角度放大器上该放大单元11的光束的入射角(第一角度)为15度时，即射入该放大单元11中每个第一纳米结构111的光束的入射角(第一角度)为15度时，该放大单元11中每个第一纳米结构111可以将该光束以30度(第二角度)射出，以实现将入射光的入射角度进行放大的目的。
由于本发明实施例所采用的角度放大器是一种超表面，使得该角度放大器具有质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势。
可选地，第一基底12在工作波段透明，放大单元11中的第一纳米结构111能够将以第一角度入射的光束，以第二角度透射出去。
在本发明实施例中，该第一基底12为在工作波段透明的结构层，即该第一基底12对工作波段的光线具有高透过率，其中，该第一基底12的工作波段是该角度放大器所需调制的光束所对应的工作波段，例如，该光束为红外光，则该角度放大器所能调制的光束对应的工作波段包括红外光对应的波段。如图3所示，在该第一基底12为在工作波段透明的情况下，该角度放大器为透射式角度放大器，其可以将以第一角度射入其中的光束(如图3中由该第一基底12的下侧以第一角度θ1射入的光束)以第二角度射出(图3所示从第一基底12的上侧以第二角度θ2射出)。
可选地，如图5所示，为超表面的该角度放大器还包括反射层13，反射层13设置于第一基底12与放大单元11之间；反射层13能够将射入反射层13表面的光束反射出去。
在本发明实施例中，可以在第一基底12的一侧先生长一层反射层13，再在该反射层13远离该第一基底12的一侧生长多个放大单元11，以得到能够将入射光进行反射的反射式角度放大器。如图5所示，该反射式角度放大器可以将以第一角度射入该反射层13的光束(如图5中由远离第一基底12的一侧以第一角度θ1射入至反射层13的光束)以第二角度反射(如图5所示从该反射层13表面向远离第一基底12的一侧θ2射出)。
本发明实施例所分别提供的透射式角度放大器与反射式角度放大器，可以根据不同的安装的环境与实际需求选取使用，角度放大器的应用场景更为广泛。
可选地，第一纳米结构111的相位分布满足
Figure BDA0003705547630000091
Figure BDA0003705547630000092
其中，
Figure BDA0003705547630000093
表示在第一基底12的x位置对应的放大单元11中每个第一纳米结构111所对应的相位分布；
Figure BDA0003705547630000094
表示常数相位；x表示放大单元11中每个第一纳米结构111在x方向上所处的位置；θ2表示第二角度，θ1表示第一角度，k表示波数且
Figure BDA0003705547630000095
no表示角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
在本发明实施例中，若要确定不同放大单元11上所对应的每个第一纳米结构111的相位分布(即每个放大单元11的相位分布)，可以根据所需确定的第一纳米结构111在x方向上所处的具体位置、射入其中的光束的入射角度以及射出该第一纳米结构111的光束的出射角度等相关数据进行相应地计算。本发明实施例以透射式的角度放大器为例详细描述：如何利用数学关系式准确确定每个第一纳米结构111的相位分布，其同样适用于反射式的角度放大器，本实施例将不再赘述。参见图6所示，当两道光束同时以第一角度θ1射入该角度放大器上，该两条入射光束之间的距离为Δx；通过计算两道光束之间的光程差，即Δl＝Δx(sinθ2-sinθ1)，便可确定二者之间的相位差
Figure BDA0003705547630000096
当Δx趋近于0时，可以得到数学关系式：
Figure BDA0003705547630000097
Figure BDA0003705547630000098
具体地，该数学关系式能够表示出：在x处所对应的放大单元11中的每个第一纳米结构111，是可以将以第一角度θ1射入其中的光束(且该光束波数为k)调制为以第二角度θ2射出的纳米结构的数学关系式。
进一步地，对该数学关系式做积分运算，可以得到式子：
Figure BDA0003705547630000101
Figure BDA0003705547630000102
根据该式子便可确定每个可实现上述调制效果的第一纳米结构111的相位分布。式中，x用于表示所需确定相位分布
Figure BDA0003705547630000103
的第一纳米结构111在x方向上的具体位置；θ1用于表示射入该第一纳米结构111的光束的入射角度，θ2用于表示射出该第一纳米结构111的光束的出射角度；波数
Figure BDA0003705547630000104
即该波数k由该角度放大器所对应的空间介质的折射率no与该光束的波长λ决定，其中，该角度放大器所对应的空间介质的折射率no可以是由该角度放大器射出的光束所对应的空间介质的折射率；
Figure BDA0003705547630000105
则用于表示常数相位，该常数相位可以是任意数值，如0、π、2π、3π等。通过计算该式子可以确定能够实现上述调制效果(即将以第一角度θ1射入其中的光束调制为以第二角度θ2射出)的第一纳米结构111所具有的相位分布
Figure BDA0003705547630000106
本发明实施例可以更准确的确定每一个位置上对应的第一纳米结构111所对应的相位分布，且该种角度放大器可以根据实际所需，在x方向的不同位置布局具有不同相位分布的第一纳米结构111，使得到的角度放大器为可以实现一维放大的角度放大器。
可选地，参见图7所示，多个放大单元11呈阵列式排布；角度放大器为超表面，角度放大器还包括用于生长多个放大单元11的第二基底14，且第二基底14位于xoy平面；每个放大单元11包括至少一个第二纳米结构。
在本发明实施例所提供的为超表面的角度放大器中，如图7所示，图7为多个放大单元11阵列式排布的角度放大器的俯视图。其中，这些以阵列式排布的放大单元11设置在第二基底14的同一侧面；参见图8所示，该第二基底14位于xyz坐标系下的xoy平面中，并且，每个放大单元11所包括的至少一个第二纳米结构具有相同的相位分布，例如，在位于xoy平面上的第二基底14一侧表面(如图8中该第二基底14的上表面)，以阵列的形式排布多个放大单元11，且每个放大单元11中具有一个第二纳米结构。而由于该角度放大器中的每个放大单元11分别对应一个相位分布，且在同一放大单元11中的第二纳米结构能够对应同一种相位分布，因此，在不同放大单元11中所包括的第二纳米结构能够与其他放大单元11中的第二纳米结构对应不同的相位分布。例如，若每个放大单元11分别包括一个第二纳米结构，则这些第二纳米结构分别对应一种相位分布。
其中，第二纳米结构的相位分布满足
Figure BDA0003705547630000111
Figure BDA0003705547630000112
其中，
Figure BDA0003705547630000113
表示在第二基底14的(x,y)坐标位置对应的第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以所述角度放大器所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与所述入射光束所在平面以及所述角度放大器所在平面相垂直的平面；φ2表示以第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；
Figure BDA0003705547630000114
表示常数相位；θ2表示第二角度，θ1表示第一角度，k表示波数且
Figure BDA0003705547630000115
Figure BDA0003705547630000116
no表示角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
参见图8所示，图8为xyz坐标系下角度放大器的设置与光路示意图。在本发明实施例中，若要确定不同放大单元11上所对应的至少一个第二纳米结构的相位分布(例如每个放大单元11的相位分布)，可以根据所需确定的第二纳米结构在xyz坐标系中的xoy平面上所处的具体位置(如(x,y)坐标)、射入其中的光束的入射角度(入射的光束相对于xyz坐标系中yoz平面的夹角)以及射出该第二纳米结构的光束的出射角度(射出的光束相对于xyz坐标系中yoz平面的夹角)等相关数据进行相应地计算。
本发明实施例以透射式的角度放大器为例详细描述：如何利用数学关系式准确确定每个第二纳米结构的相位分布，其同样适用于反射式的角度放大器，本实施例将不再赘述。如图8所示，在xyz坐标系下，入射的光束由xoz平面(入射平面)射向位于xoy平面的角度放大器(第二纳米结构)中，并在该角度放大器上经过相位调制透射出去。本发明实施例中，由于该第二纳米结构的相位分布满足广义菲涅尔定律，因此，发明人发现对该广义菲涅尔定律进行积分可以得到该第二纳米结构的相位分布计算公式：
Figure BDA0003705547630000121
Figure BDA0003705547630000122
式中，(x,y)用于表示所需确定相位分布为
Figure BDA0003705547630000123
的第二纳米结构在xoy平面上的具体位置(即该第二纳米结构在角度放大器上的坐标)；θ1用于表示射入该第二纳米结构的光束的入射角度，其中，该入射角度在空间中可以表示为：该入射光束在yoz平面上的投影与该入射光束之间的夹角，yoz平面即为与入射平面(xoz平面)相垂直的平面，图8中该入射光线在yoz平面上的投影与z轴重合；θ2用于表示射出该第二纳米结构的光束的出射角度，其中，该出射角度在空间中可以表示为：该出射光束在yoz平面上的投影与该出射光束之间的夹角，yoz平面即为与入射平面(xoz平面)相垂直的平面，图8中该出射光线在yoz平面上的投影用虚线示出；φ2为该出射光束在yoz平面的投影与z轴之间的夹角；波数
Figure BDA0003705547630000124
即该波数k由该角度放大器所对应的空间介质的折射率no与该光束的波长λ决定，其中，该角度放大器所对应的空间介质的折射率no可以是由该角度放大器射出的光束所对应的空间介质的折射率；
Figure BDA0003705547630000125
则用于表示常数相位，该常数相位可以是任意数值，如0、π、2π、3π等。通过计算该式子可以确定能够实现上述调制效果(即将以第一角度θ1射入其中的光束调制为以第二角度θ2射出)的第二纳米结构所具有的相位分布
Figure BDA0003705547630000126
本发明实施例可以确定每一个位置上对应的第二纳米结构所对应的相位分布，使得该角度放大器是能够在空间中实现二维角度放大的光学元件。
可选地，第二角度与第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。
其中，在射入第一纳米结构111的光束的第一角度与射出该第一纳米结构111的光束的第二角度之间，除了需要满足第二角度大于第一角度，且第二角度小于90度的关系以外，所能满足的关系还可以包括：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。其中，倍数关系可以是该第二角度的大小是第一角度的大小的a倍，即θ2＝aθ1，且a>1，例如，该第二角度的大小是第一角度的大小的2倍或3倍等；非线性关系可以是该第二角度的大小是第一角度大小的平方、三次方等，例如，在第一角度大于1的情况下，θ2＝θ1 2等；三角函数关系可以是该第二角度与第一角度构成某种正弦函数关系、余弦函数关系或者正切函数关系等，例如，sinθ2＝1.5sinθ1等。
例如，在本发明实施例中，在明确了某位置处(如x处)所对应的放大单元11中的每个第一纳米结构111，是可以将以第一角度θ1射入其中的光束调制为以大小为该第一角度的2倍的第二角度θ2射出的纳米结构的情况下，即在该第一纳米结构111所对应的第一角度与第二角度同时满足关系式：
Figure BDA0003705547630000131
以及θ2＝2θ1的情况下，根据这两个式子便可确定每个可实现上述调制效果的第一纳米结构111的相位分布。
本发明实施例通过明确每个第一纳米结构111所能实现的调制效果，建立起射入第一纳米结构111的光束的第一角度与射出该第一纳米结构111的光束的第二角度之间所应满足的多种关系，并通过积分运算的方式得到该第一纳米结构111对应的相位分布，该角度放大器可以满足更多实际应用场景的需要。
本发明实施例还提供了一种发射系统，参见图9所示，包括：上述任一角度放大器1、MEMS振镜2和光源3；图9以多条平行实线表示光源3所发出的光束，且图9为使用能够实现透射的角度放大器1的发射系统的示意图。
如图9所示，MEMS振镜2设置于光源3的出光侧，用于将光源3发射的光束以第一角度射入角度放大器1，并沿x方向扫描；角度放大器1设置于MEMS振镜2的出光侧，用于将以第一角度射入的光束调制为以第二角度射出。
在本发明实施例中，MEMS振镜2可以将光源3所发出的光束进行反射，且经该MEMS振镜2所反射出去的光束可以以第一角度射入该角度放大器1中，并根据该角度放大器1具体为透射式还是反射式的角度放大器，可以将射入该角度放大器1的光束以第二角度透射或反射出去。如图9所示，由MEMS振镜2反射的光束在以第一角度射入该角度放大器1(透射式)之后，该角度放大器1可以将该光束以第二角度透射至扫描区域，图9中以平行四边形区域表示该扫描区域；需要说明的是，由该角度放大器1所透射至扫描区域的光束是基于MEMS振镜2的转动而沿x方向进行扫描的，即该角度放大器1透射光束的扫描方向是由MEMS振镜2所决定的。同理，选择能够实现反射的角度放大器用于发射系统中的情况，可以参见图10所示，其沿x方向扫描的原理与上述选用透射式的角度放大器用于发射系统中的扫描原理相同，此处将不再赘述。
在本发明实施例所提供的发射系统中，通过在MEMS振镜2的出光侧加入角度放大器1，可以扩大该MEMS振镜2反射出的光束的角度，即扩大该发射系统在扫描区域上的扫描范围，无需采用多个具有MEMS振镜2的发射系统即可实现扩束的目的，降低成本，减轻发射系统整体体积。
可选地，光源3包括垂直腔体激光器，即该光源3所发射的光束为激光光束。其中，垂直腔体激光器是一种半导体激光器，其所发射的激光垂直于集成电路的顶面射出，而采用垂直腔体激光器作为光源3与传统采用边发射激光器作为光源相比具有许多优势。例如，采用该垂直腔体激光器作为光源3时，出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度阵列的集成，能够实现更高功率输出，使得本发明实施例所使用的光源3出光效果更好。
可选地，光源3发射的光束包括单束准直激光；或者，多束线性排布的激光阵列。
在本发明实施例所提供的发射系统中，由该光源3所发射的激光可以是经过准直的一束激光；或者，也可是预先按照某种发射角度设置的、以线性方式排布的多束激光阵列，并且，由MEMS振镜2反射至角度放大器1的光束阵列，是沿垂直于x方向进行排布的。可选地，在光源3发射的光束为单束准直激光的情况下，MEMS振镜2实现二维扫描，即可以在单点测距的基础上，通过二维扫描实现三维空间的深度信息测量(如以“点”扫“面”)；在光源3发射的光束为多束线性排布的激光阵列，且由MEMS振镜2反射至角度放大器1的光束阵列，是沿垂直于x方向进行排布的情况下，MEMS振镜2实现一维扫描，即由角度放大器1射出的、以垂直于x方向线性排布的多束激光阵列能够统一在扫描区域上沿x方向进行往复平扫(如以“线”扫“面”)。
在本发明实施例所提供发射系统中，光源3可以根据实际所需设置为单束或多束阵列的不同形式发射，且该发射系统能够根据光源3所发射的光束形式，选择与之相对应的不同扫描形式的MEMS振镜2，以实现更好的扫描，得到更精准的扫描结果。
以上详细介绍了角度放大器和包含该角度放大器的发射系统，其中，角度放大器可以通过下述设计方法得到，下面详细介绍该角度放大器的设计方法。
本发明实施例所提供的一种为超表面的角度放大器的设计方法，参见图11所示，该方法包括以下步骤101-104。
步骤101：确定角度放大器的工作波长。
其中，角度放大器的工作波长是其可以调制的光束所具有的波长，例如，在射入该角度放大器的光束所对应的波长范围中，包含该角度放大器所能调制的波长，使该波长对应的光束可以被该角度放大器所调制。本发明实施例在生成该角度放大器时，需要根据射入该角度放大器的光束所具有的波长，确定该角度放大器的工作波长。
步骤102：确定光束的第一角度与光束从角度放大器射出后的第二角度之间的关系。
本发明实施例中，可以根据该角度放大器实际所需调制的效果，确定射入该角度放大器的光束的第一角度与射出该角度放大器的光束的第二角度所具有的关系，例如，第二角度大于第一角度、二者之间呈倍数关系等。
步骤103：确定角度放大器中每个放大单元对应的纳米结构的相位分布。
在本发明实施例中，可以根据上述步骤102所确定的代表第二角度与第一角度之间的关系，计算得到该角度放大器中每个放大单元对应的纳米结构的相位分布。例如，在第二角度与第一角度之间的关系满足：第二角度是第一角度的二倍的情况下，即θ2＝2θ1，并且基于数学关系式：
Figure BDA0003705547630000161
以及，基于二倍角公式进行运算，可以得到式子
Figure BDA0003705547630000162
其中，λ为上述步骤101所确定该角度放大器的工作波长，θ1表示第一角度，x表示所要确定相位分布的纳米结构在x方向上所处的位置，通过该式子可以计算得到该纳米结构对应的相位分布
Figure BDA0003705547630000163
步骤104：在纳米结构数据库中，选择与相位分布相对应的纳米结构的数据，生成角度放大器。
其中，在计算得到每个纳米结构对应的相位分布的情况下，可以在纳米结构数据库中，分别找到对应每个相位分布的纳米结构的数据，按照每个纳米结构应在的位置(如x方向上的具体位置，或者在xoy平面上的具体坐标)对应设计，得到角度放大器(如可实现一维放大的角度放大器，或者可以实现二维放大的角度放大器)。
本发明实施例所提供的角度放大器的设计方法，仅需根据该角度放大器的工作波长以及第一角度与第二角度之间的关系，便可直接通过数学关系式计算得到不同位置上的纳米结构所对应的相位分布，并直接在纳米结构数据库中找到相应的纳米结构的数据，最终生成角度放大器。采用该方法可以更加简洁明了地确定纳米结构的相位分布，快速且精准的生成能够将入射光束进行扩大为某一角度的角度放大器。
下面通过两个具体地实施例来介绍该角度放大器的设计方法。
实施例一：
本实施例给出了一个透射式的角度放大器，该角度放大器的工作波长为1550nm，射入其中的第一角度θ1与射出的第二角度θ2的关系为θ2＝2θ1。该角度放大器的半入射角为0-15°，根据式子
Figure BDA0003705547630000171
Figure BDA0003705547630000172
以及θ2＜90°，可以得到公式
Figure BDA0003705547630000173
Figure BDA0003705547630000174
此外，还可以得到该第一角度与该角度放大器中每个纳米结构的相位分布的关系图(如图12所示)；进而可以根据图12所示，在纳米结构数据库中可找到对应纳米结构的数据，完成该角度放大器的设计。
实施例二：
本实施例给出了一个反射式的角度放大器，该角度放大器的工作波长为1550nm，射入其中的第一角度θ1与射出的第二角度θ2的关系为θ2＝1.5θ1。该角度放大器的半入射角0-20°，根据根据式子
Figure BDA0003705547630000175
Figure BDA0003705547630000176
以及θ2＜90°，可以得到公式
Figure BDA0003705547630000177
Figure BDA0003705547630000178
此外，还可以得到该第一角度与该角度放大器中每个纳米结构的相位分布的关系图(如图13所示)；进而可以根据图13所示，在纳米结构数据库中可找到对应纳米结构的数据，完成该角度放大器的设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种角度放大器，其特征在于，包括：多个放大单元(11)，每个所述放大单元(11)对应一个相位分布，所述相位分布表示射入所述放大单元(11)的光束的入射角与所述放大单元(11)能够调制的相位之间的对应关系；
所述放大单元(11)能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出，所述第一角度小于所述第二角度，且所述第二角度小于90度。
2.根据权利要求1所述的角度放大器，其特征在于，多个所述放大单元(11)沿x方向并列排布；
所述角度放大器为超表面，所述角度放大器还包括用于生长多个所述放大单元(11)的第一基底(12)；
所述放大单元(11)包括多个沿垂直于x方向排布且相同的第一纳米结构(111)，具有相同x坐标的第一纳米结构(111)对应相同的相位分布；
所述第一纳米结构(111)能够将以第一角度入射的光束调制为第二角度射出。
3.根据权利要求2所述的角度放大器，其特征在于，所述第一纳米结构(111)的相位分布满足
Figure FDA0003705547620000011
其中，
Figure FDA0003705547620000012
表示在所述第一基底(12)的x位置对应的所述放大单元(11)中每个第一纳米结构(111)所对应的相位分布；
Figure FDA0003705547620000013
表示常数相位；x表示所述放大单元(11)中每个第一纳米结构(111)在x方向上所处的位置；θ2表示所述第二角度，θ1表示所述第一角度，k表示波数且
Figure FDA0003705547620000014
Figure FDA0003705547620000015
no表示所述角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
4.根据权利要求1所述的角度放大器，其特征在于，多个所述放大单元(11)呈阵列式排布；
所述角度放大器为超表面，所述角度放大器还包括用于生长多个所述放大单元(11)的第二基底(14)，且所述第二基底(14)位于xoy平面；每个所述放大单元(11)包括至少一个第二纳米结构；
所述第二纳米结构的相位分布满足
Figure FDA0003705547620000021
Figure FDA0003705547620000022
其中，
Figure FDA0003705547620000023
表示在所述第二基底(14)的(x,y)坐标位置对应的所述第二纳米结构的相位分布；以入射光束所在的平面作为xoz平面，以所述角度放大器所在的平面作为xoy平面，yoz平面是与所述入射光束所在平面以及所述角度放大器所在平面相垂直的平面；φ2表示以所述第二角度射出的光束在yoz平面上的投影与z轴之间的夹角；
Figure FDA0003705547620000024
表示常数相位；θ2表示所述第二角度，θ1表示所述第一角度，k表示波数且
Figure FDA0003705547620000025
no表示所述角度放大器对应的空间介质的折射率，λ表示光束的波长。
5.根据权利要求3或4所述的角度放大器，其特征在于，所述第二角度与所述第一角度之间的关系满足：倍数关系、非线性关系或者三角函数关系。
6.根据权利要求2或3所述的角度放大器，其特征在于，所述第一基底(12)在工作波段透明，所述放大单元(11)中的第一纳米结构(111)能够将以所述第一角度入射的光束，以所述第二角度透射出去。
7.根据权利要求2或3所述的角度放大器，其特征在于，还包括反射层(13)，所述反射层(13)设置于所述第一基底(12)与所述放大单元(11)之间；所述反射层(13)能够将射入所述反射层(13)表面的光束反射出去。
8.根据权利要求1所述的角度放大器，其特征在于，所述角度放大器为多层衍射光学元件或者菲涅尔透镜。
9.一种发射系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一所述的角度放大器(1)、MEMS振镜(2)和光源(3)；
所述MEMS振镜(2)设置于所述光源(3)的出光侧，用于将所述光源(3)发射的光束以第一角度射入角度放大器(1)，并沿x方向扫描；
所述角度放大器(1)设置于所述MEMS振镜(2)的出光侧，用于将以所述第一角度射入的光束调制为以第二角度射出。
10.根据权利要求9所述的发射系统，其特征在于，所述光源(3)包括垂直腔体激光器。
11.根据权利要求9所述的发射系统，其特征在于，所述光源(3)发射的光束包括单束准直激光；或者，
多束线性排布的激光阵列。
12.根据权利要求11所述的发射系统，其特征在于，在所述光源(3)发射的光束为单束准直激光的情况下，所述MEMS振镜(2)实现二维扫描；在所述光源(3)发射的光束为多束沿垂直于x方向排布的激光阵列的情况下，所述MEMS振镜(2)实现一维扫描。
13.如权利要求3-8任一所述的角度放大器的设计方法，其特征在于，包括：
确定所述角度放大器的工作波长；
确定所述光束的第一角度与所述光束从所述角度放大器射出后的第二角度之间的关系；
确定所述角度放大器中每个放大单元对应的纳米结构的相位分布；
在纳米结构数据库中，选择与所述相位分布相对应的纳米结构的数据，生成所述角度放大器。
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