CN115144840A - 一种扩束透镜、发射模组、光电检测装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种扩束透镜，被配置为将沿第一扫描方向偏转多个不同角度入射的光束沿预设的第二扫描方向发散，所述扩束透镜包括：入光面，被配置为接收入射的光束；及出光面，被配置为出射所述光束。所述入光面和出光面沿光束的前进方向依次设置。其中，所述入光面和出光面中的至少一个沿所述第二扫描方向弯曲以将经过光束的发散角沿所述第二扫描方向扩展，所述入光面和出光面以相同的弯曲程度沿所述第一扫描方向弯曲以避免光束沿所述第一扫描方向偏转时以倾斜于入光面和出光面的角度透过所述扩束透镜而导致畸变。本申请还提供包括所述扩束透镜的发射模组、光电检测装置及电子设备。

Description

一种扩束透镜、发射模组、光电检测装置及电子设备

技术领域

本申请属于光电检测领域，尤其涉及一种扩束透镜、发射模组、光电检测装置及电子设备。

背景技术

飞行时间(Time of Flight, ToF)测量原理根据测量场景中被物体反射的检测光的飞行时间来计算物体的距离等三维信息。由于ToF测量具有感测距离长、精度高、能耗低等优点，被广泛应用于消费性电子产品、智能驾驶、AR/VR等领域。

利用ToF测量原理进行测距的检测装置本身的视场角有限，需要通过不断改变检测方向进行扫描的方式来获得更大的检测范围。目前，其中一种改变检测方向的方式是采用机械结构转动检测装置来实现，然而此种方式往往需要多组分立器件，光路的调试和装配复杂度高，复杂的机械结构容易损坏失准，也因尺寸较大而对使用它的终端设备外形造成影响。另外一种改变检测方向的方式为混合固态方案，主要采用振动部件带动光学结构的方式改变检测方向。虽然相对于机械转动方案，混合固态方案的成本和尺寸都显著降低，但由于振动部件易损坏，系统的可靠性仍较低，限制了检测装置的应用场景。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种能够改善现有技术问题的发射模组、光电检测装置以及电子设备。

第一方面，本申请提供一种扩束透镜，被配置为将沿第一扫描方向偏转多个不同角度入射的光束沿预设的第二扫描方向发散，所述扩束透镜包括：入光面，被配置为接收入射的光束；及出光面，被配置为出射所述光束。所述入光面和出光面沿光束的前进方向依次设置。其中，所述入光面和出光面中的至少一个沿所述第二扫描方向弯曲以将经过光束的发散角沿所述第二扫描方向扩展，所述入光面和出光面以相同的弯曲程度沿所述第一扫描方向弯曲以避免光束沿所述第一扫描方向偏转时以倾斜于入光面和出光面的角度透过所述扩束透镜而导致畸变。

第二方面， 本申请提供一种发射模组，被配置为向检测范围内发射检测光束以对检测范围内的物体进行三维信息检测，其包括光源模块、光束偏转模块及如前所述的扩束透镜。所述光源模块被配置为发出光束，并在第一偏转角度范围内沿预设的第一扫描方向偏转所发出光束。所述光束偏转模块被配置为将光束分别在多个时刻对应偏转不同的预设偏转角度以形成具有不同出射方向的感测光束。所述扩束透镜被配置为将所述光束的发散角沿预设的第二扫描方向扩展。

第三方面，本申请提供一种光电检测装置，包括如上所述的发射模组。所述光电检测装置还包括接收模组及处理电路。所述接收模组被配置为感测来自检测范围内的光信号并输出相应的光感应信号。所述处理电路被配置为分析处理所述光感应信号以获得在检测范围内物体的三维信息。

第四方面，本申请提供一种电子设备，包括应用模块及如上所述的光电检测装置。所述应用模块被配置为根据所述光电检测装置的检测结果实现相应的功能。

本申请的有益效果：

相较于通过机械转动方案和混合固态方案实现对感测光束的偏转，本申请通过纯 固态的光源模块和光束偏转模块实现感测光束在第二偏转角度范围

内的准连续偏转，不 需要依赖部件的转动和振动，具有更好的可靠性和尺寸紧凑的有益效果。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的特征及优点将变得更加明显。

图1为本申请一实施例提供的电子设备的功能模块示意图。

图2为图1中所述光电检测装置一实施例的功能模块示意图。

图3为图2中所述处理电路获得的统计直方图的示意图。

图4为图2中所述发射模组的结构示意图。

图5为图4中所述光源模块的结构示意图。

图6为图4中所述光源模块发出的光束的发散角示意图。

图7为图5中所述光源不同实施例的结构示意图。

图8-图9为图4中所述光源模块不同实施例的结构示意图。

图10为图4中所述光束偏转模块中的LCPG单元的结构示意图。

图11-图12为图10的所述LCPG单元中具有不同光栅矢量方向的LCPG片进行级联时对光束的偏转情况示意图。

图13为本申请一实施例提供的二值式级联的LCPG单元的结构示意图。

图14为图13中所述二值式级联的LCPG单元的电压控制与偏转角度关系示意图。

图15为本申请一实施例提供的类二值式级联的LCPG片的结构示意图。

图16为图15中所述的类二值式级联的LCPG片的电压控制与偏转角度关系示意图。

图17为本申请一实施例提供的三值式级联的LCPG单元的结构示意图。

图18为图17中所述三值式级联的LCPG单元的电压控制与偏转角度关系示意图。

图19为本申请一实施例提供的二值式级联的被动式LCPG单元的结构示意图。

图20为图19中所述二值式级联的被动式LCPG单元的电压控制与偏转角度关系示意图。

图21为本申请一实施例提供的包括具有不同扫描方向的两个LCPG单元组的光束偏转模块的结构示意图。

图22为图4中所述光束扩展模块为柱形凹透镜的结构示意图。

图23为图22中所述柱形凹透镜的侧视光路图。

图24为图4中所述光束扩展模块为柱形凸透镜的结构示意图。

图25为图24中所述柱形凸透镜的侧视光路图。

图26为图22和图24中所述扩束透镜对经过光束造成的畸变示意图。

图27为图4中所述光束扩展模块为柱形凹透镜的另一实施例的结构示意图。

图28为图27中所述柱形凹透镜的俯视结构示意图。

图29为本申请一实施例提供的光电检测装置进行检测时的信号时序图。

图30为本申请一实施例提供的光电检测装置作为汽车激光雷达的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述，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或排列顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述技术特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，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，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接或相互通信；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之间的相互作用关系。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申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施例或示例用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文仅对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复使用参考数字和/或参考字母，这种重复使用是为了简化和清楚地表述本申请，其本身不指示所讨论的各种实施例和/或设定之间的特定关系。此外，本申请在下文描述中所提供的各种特定的工艺和材料仅为实现本申请技术方案的示例，但是本领域普通技术人员应该意识到本申请的技术方案也可以通过下文未描述的其他工艺和/或其他材料来实现。

进一步地，所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下文的描述中，提供许多具体细节以便能够充分理解本申请的实施例。然而，本领域技术人员应意识到，即使没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组元等，也可以实践本申请的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本申请之重点。

本申请的实施例提供一种扩束透镜，被配置为将沿第一扫描方向偏转多个不同角度入射的光束沿预设的第二扫描方向发散，所述扩束透镜包括：入光面，被配置为接收入射的光束；及出光面，被配置为出射所述光束。所述入光面和出光面沿光束的前进方向依次设置。其中，所述入光面和出光面中的至少一个沿所述第二扫描方向弯曲以将经过光束的发散角沿所述第二扫描方向扩展，所述入光面和出光面以相同的弯曲程度沿所述第一扫描方向弯曲以避免光束沿所述第一扫描方向偏转时以倾斜于入光面和出光面的角度透过所述扩束透镜而导致畸变

可选地，在一些实施例中，所述入光面的弯曲程度使得光束在沿所述第一扫描方向分布的各个入射点中的任意一个入射时的入射方向垂直于所述入光面被一入射参考面所截而形成的曲面截线上该入射点的切线，所述入射参考面为由入射的光束及所述第一扫描方向一起定义的平面。

可选地，在一些实施例中，所述入光面上各个入射点具有沿所述第一扫描方向变化的第一曲率，所述第一曲率为对应入射点在所述曲面截线上沿切线方向的曲率，所述出光面沿所述第一扫描方向具有与入光面相同的曲率变化。

可选地，在一些实施例中，所述入光面上各点具有沿所述第二扫描方向变化的第二曲率，所述第二曲率根据所述扩束透镜的焦距、所述扩束透镜所采用材料的折射率、光束经所述扩束透镜后沿第二扫描方向被扩展的发散角大小以及入射光束的光束直径中的任意一种或多种因素的组合进行设置。

可选地，在一些实施例中，所述入光面在由所述第二扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第一曲面截线，所述第一曲面截线上各点的斜率根据该点沿所述第二扫描方向的位置而变化，其中，所述零级光束的发出方向位于光束沿第一扫描方向偏转范围的中间位置，所述入光面沿所述第二扫描方向的弯曲程度可通过所述第一曲面截线上各点的斜率变化进行描述。

可选地，在一些实施例中，所述入光面在由所述第一扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第二曲面截线，所述出光面在由所述第一扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第三曲面截线，所述第二曲面截线和所述第三曲面截线上各点的斜率随该点沿所述第一扫描方向的位置而变化，其中，所述零级光束的发出方向位于光束沿第一扫描方向偏转范围的中间位置，所述入光面和出光面沿所述第一扫描方向的弯曲程度可对应通过所述第二曲面截线和第三曲面截线上各点的斜率变化进行描述。

本申请的实施例还提供一种发射模组，被配置为向检测范围内发射检测光束以对检测范围内的物体进行三维信息检测，其包括光源模块、光束偏转模块及如前所述的扩束透镜。所述光源模块被配置为发出光束，并在第一偏转角度范围内沿预设的第一扫描方向偏转所发出光束。所述光束偏转模块被配置为将光束分别在多个时刻沿预设的第一扫描方向对应偏转不同的预设偏转角度以形成具有不同出射方向的感测光束。所述扩束透镜被配置为将所述光束的发散角沿预设的第二扫描方向扩展。

可选地，在一些实施例中，所述光束偏转模块包括至少一个液晶半波片和至少一个液晶偏转光栅片，所述光束偏转模块通过改变光束经过所述液晶半波片和液晶偏振光栅片的衍射状态以将所述光束沿所述第一扫描方向偏转，所述扩束透镜的光轴与所述光束偏转模块在其光束偏转范围内位于中间位置的零级光束对齐，所述入光面上的各个入射点沿所述第一扫描方向具有变化的第一曲率，所述第一曲率对应的曲率半径为该入射点与该入射点的入射光束延长线在扩束透镜光轴上的相交点之间的距离。

本申请的实施例还提供一种光电检测装置，包括如上所述的发射模组。所述光电检测装置还包括接收模组及处理电路。所述接收模组被配置为感测来自检测范围内的光信号并输出相应的光感应信号。所述处理电路被配置为分析处理所述光感应信号以获得在检测范围内物体的三维信息。

本申请的实施例还提供一种电子设备，其包括所述光电检测装置。所述电子设备根据光电检测装置获得的三维信息以实现相应的功能。所述电子设备例如为：手机、汽车、机器人、门禁/监控系统、智能门锁、无人机等。所述三维信息例如为：检测范围内物体的接近信息、深度信息、距离信息、坐标信息等。其中，所述三维信息例如可以用于3D建模、人脸识别、自动驾驶、机器视觉、监控、无人机控制、增强现实(Augmented Reality, AR)/虚拟现实(Virtual Reality, VR)、即时定位和地图构建(Simultaneous Localization andMapping, SLAM)、物体接近判断等领域，本申请对此不作限定。

所述光电检测装置例如可以为激光雷达，可以用于获得检测范围内物体的三维信息。所述激光雷达例如应用于智能驾驶车辆、智能驾驶飞机、3D打印、VR、AR、服务机器人等领域。以智能驾驶车辆为例，在智能驾驶车辆中设置激光雷达，激光雷达可通过快速且重复地发射激光光束来扫描周围环境，以获得反映周围环境中一个或多个对象的形貌、位置和运动情况的点云数据。具体的，激光雷达向周围环境发射激光光束，并接收激光光束被周围环境中的各个对象反射回来的回波光束，通过计算激光光束的发射时间和回波光束的返回时间之间的时间延迟(即飞行时间)，来确定各个对象的距离/深度信息。同时，激光雷达还可以确定描述激光光束检测范围取向的角度信息，将各对象的距离/深度信息和激光光束的角度信息相结合，生成包括所扫描的周围环境中各个对象的三维地图，利用该三维地图可指导无人车的智能驾驶。

以下，将参照附图详细描述光电检测装置应用于电子设备上的实施例。

图1是本申请实施例提供的光电检测装置应用于电子设备上的功能模块示意图。图2是本申请实施例提供的光电检测装置的功能模块示意图。

参照图1和图2，所述电子设备1包括光电检测装置10。所述光电检测装置10可以对检测范围内的物体2进行检测以获得物体2的三维信息，所述检测范围可定义为光电检测装置10能够有效地进行三维信息检测的立体空间范围,也可以称之为光电检测装置10的视场角。所述三维信息例如为但不限于物体2的接近信息、物体2表面的深度信息、物体2的距离信息及物体2的空间坐标信息中的一种或多种。

所述电子设备1可以包括应用模块20，所述应用模块20被配置为根据所述光电检测装置10的检测结果执行预设的操作或实现相应的功能，例如但不限于：可以根据物体2的接近信息判断是否有物体2出现在电子设备1前方预设的检测范围内；或者，可以根据物体2的距离信息控制电子设备1的运动进行避障；或者，可以根据物体2表面的深度信息实现3D建模、人脸识别、机器视觉等。所述电子设备1还可以包括存储介质30，所述存储介质30可为所述光电检测装置10在运行过程中的存储需求提供支持。

可选地，在一些实施例中，所述光电检测装置10例如可以为基于直接飞行时间 (direct Time of Flight, dToF)原理进行三维信息感测的dToF测量装置。所述dToF测量 装置可以在检测范围内发射感测光束并接收经检测范围内物体2反射回来的感测光束，反 射回来的所述感测光束的发射时刻与接收时刻之间的时间差被称为所述感测光束的飞行 时间t，通过计算所述感测光束在飞行时间t内经过距离的一半可以获得物体2的三维信息

,其中，c为光速。

可选地，在另外一些实施例中，所述光电检测装置10也可以为间接飞行时间(indirect Time of Flight, iToF)测量原理进行三维信息感测的iToF测量装置10。所述iToF测量装置10通过比较感测光束发射时与被反射回来接收时的相位差来获得物体2的三维信息。

在本申请下面的实施例中，主要以所述光电检测装置10为dToF测量装置为例进行说明。

可选地，如图2所示，所述光电检测装置10包括发射模组12、接收模组14和处理电路15。所述发射模组12被配置为向检测范围发射感测光束以对检测范围内的物体2进行三维信息检测，其中的部分感测光束会被所述物体2反射而返回，反射回来的感测光束携带有所述物体2的三维信息，其中一部分反射回来的感测光束可以被所述接收模组14感测以用于获得物体2的三维信息。所述接收模组14被配置为感测来自检测范围的光信号并输出相应的光感应信号，通过分析所述光感应信号可实现对检测范围内物体2的三维信息检测。可以理解的是，所述接收模组14所感测的光信号可以为光子，例如包括被检测范围内的物体2反射回来的感测光束的光子以及检测范围内环境光的光子。所述处理电路15被配置为分析处理所述光感应信号以获得感测光束被接收模组14感测到的时刻，并根据所述感测光束的发射时刻与反射回来被感测时刻的时间差异来获得所述物体2的三维信息。

所述处理电路15可以设置在所述光电检测装置10上。可选地，在其他一些实施例中，所述处理电路15的全部或一部分功能单元也可以设置在所述电子设备1上。

可选地，所述感测光束可以为具有预设频率的激光脉冲。所述发射模组12被配置为在一个检测帧内按照预设频率周期性地发射所述激光脉冲作为感测光束。

可选地，所述感测光束例如为可见光、红外光或近红外光，波长范围例如为390纳米(nm)-780 nm、700 nm-1400 nm、800 nm-1000 nm。

请一并参阅图2和图3，图3为图2中所述处理电路15获得的统计直方图的示意图。可选地，在一些实施例中，所述处理电路15可以包括计时单元152、统计单元154、飞行时间获取单元156和三维信息获取单元158。

所述计时单元152被配置为确定接收模组14感测到光信号的接收时间。所述光电检测装置10在检测过程中通过发射模组12发出多次感测光束，计时单元152从发射模组12每次发射感测光束开始计时以记录在相邻两次感测光束发射之间所述接收模组14感测到光信号的接收时间，在此期间所述接收模组14每接收到一个光信号会输出相应光感应信号，计时单元152根据接收模组14输出的光感应信号记录感测到的光信号的接收时间，并在与接收时间对应的时间分箱内计数。其中，所述时间分箱为计时单元152记录所述光感应信号产生时刻的最小时间单位Δt，能够反映所述计时单元152对光信号进行时间记录的精度高低，时间分箱越细密表示记录时间的精度越高。可选地，所述计时单元152可以通过时间数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)1522来实现计时功能。所述TDC1522可连接所述接收模组14上对应的感光像素142，被配置为根据对应感光像素142生成的光感应信号来记录感测到光信号的接收时间。可选地，在一些实施例中，所述计时单元152可以包括计数存储器1524，所述计数存储器1524具有根据时间分箱对应分配的计数存储空间，所述TDC1522每记录一个光信号的接收时间便在对应时间分箱的计数存储空间内累计加一。

所述统计单元154被配置为对各时间分箱内累计的光信号计数进行统计，以获得能够反映接收模组14感测到多个光信号的接收时间分布的统计直方图。其中，统计直方图的横坐标表示各个对应时间分箱的时间戳，统计直方图的纵坐标表示各个对应时间分箱内累计的光信号计数值。可选地，所述统计单元154可以包括直方图电路1544，所述直方图电路1544被配置为对各时间分箱内的光信号计数进行统计以生成统计直方图。应理解的是，所述统计单元154是对一个检测帧内多次发射的感测光束对应累计的光信号计数进行统计分析，为了使得计数具有数学上的统计意义，一个检测帧内感测光束的发射次数可多达几千次、几万次、十几万次、甚至上百万次。

在感测过程中，大量环境光的光子也会被所述接收模组14感测而产生相应的光信号计数。这些环境光的光子被感测而在各个时间分箱内留下计数的几率趋于相同，构成检测范围内的噪音背底(Noise Level)，在环境光强度较高的场景中，测得的所述噪音背底的平均水平相对较高，在环境光较低的场景中，测得的所述噪音背底的平均水平相对较低。在此基础上，从物体2反射回来的感测光束被感测到而对应产生的光信号计数叠加在所述噪音背底上，使得与该感测光束被感测时刻对应的时间分箱内的光信号计数会明显高于其他时间分箱的光信号计数，进而形成突出的信号峰。可以理解的是，所述信号峰的计数值高度会受到所述感测光束的光功率、物体2的反射率、光电检测装置10的检测范围等因素的影响，所述信号峰的宽度会受到所发射的感测光束的脉冲宽度、接收模组14的光电转换元件和TDC1522的时间抖动等因素的影响。由此，所述飞行时间获取单元156可以根据与信号峰的峰值对应的时间分箱的时间戳t1与产生该信号峰的相关感测光束的发射时刻t0(图未示)之间的时间差获得被物体2反射回来的相关感测光束的飞行时间。所述三维信息获取单元158可被配置为根据由统计直方图确定的感测光束的飞行时间获得反射该感测光束的物体2与光电检测装置10之间的三维信息，例如：在检测范围内的物体2与所述光电检测装置10之间的距离。

应理解的是，所述发射模组12与接收模组14并排相邻设置，所述发射模组12的出光面与所述接收模组14的入光面均朝向光电检测装置10的同一侧，所述发射模组12与接收模组14的间距的取值范围例如可以为2毫米(mm)至20mm。由于所述发射模组12与接收模组14之间靠得比较近，所述感测光束从发射模组12到物体2的发射路径与反射后从物体2到接收模组14的返回路径虽然不是完全相等，但两者均远大于发射模组12与接收模组14的间距，可以视为近似相等。由此，可以根据被物体2反射回来的所述感测光束的飞行时间t的一半与光速c的乘积来计算物体2与光电检测装置10之间的距离。

如图2和图4所示，在一些实施例，所述发射模组12包括光源模块122及光束偏转模块124。所述光源模块122被配置为发出光束，并在预设的第一偏转角度范围φ内偏转所发出的光束。所述光束偏转模块124被配置为将经过的光束分别在多个时刻偏转对应的不同预设偏转角度以形成具有多个不同发射方向的感测光束。所述光束偏转模块124的多个预设偏转角度按照预设的角度间隔形成等差数列，所述角度间隔可视为所述等差数列的角度公差，所述第一偏转角度范围φ大于或等于所述角度间隔。

请一并参阅图5和图6，所述光源模块122包括多个光源121和光学偏转器件123，所述光源121被配置为发出光束，所述光学偏转器件123被配置为在所述第一偏转角度范围φ内以预设的偏转精度改变所述光源121发出光束的发射方向。

可选地，在一些实施例中，所述光学偏转器件123为投射透镜，多个光源121设置在投射透镜的焦平面上，所述光源121发出的光束经投射透镜后沿对应的预设方向发出以形成所述光源模块122发出的光束。所述光源121发出的光束经投射透镜后发出的预设发射方向与该光源121在投射透镜焦平面上的位置具有对应关系。由此，所述光源模块122可以通过寻址点亮投射透镜焦平面上不同位置的光源121以对应形成在所述第一偏转角度范围φ内的不同预设发射方向之间偏转的光束。应理解的是，为了图示的便利，图5中仅示出所述光源121发出光束中经过所述投射透镜光心的光线。

在一些实施例中，如图7所示，每个光源121可以包括一个或多个发光单元120，作为同一个光源121的一个或多个发光单元120同时发光，所发出的光束作为该光源121发出的光束。可选地，所述发光单元120可以为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser,简称VCSEL，也可译为垂直共振腔面射型激光器)、边发射激光器(EdgeEmitting Laser, EEL)、发光二极管(Light Emitting Diode, LED)、激光二极管(LaserDiode, LD)、光纤激光器等形式的发光结构。其中，所述边发射激光器可以为法布里泊罗(Fabry Perot, FP)激光器、分布式反馈(Distribute Feedback, DFB)激光器、电吸收调制激光器(Electro-absorption Modulated, EML)等，本申请实施例对此不做限定。

可选地，若每个发光单元120的发光孔尺寸为

，所述光源121上的发光单元120 在投射透镜的焦平面上沿预设的方向依次排列，相邻两个发光单元120的发光孔的对应边 缘之间的距离为

,每个光源121包括n个发光单元120，则每个光源121的尺寸

，即定义为该光源121内相距最远的两个发光单元120各自相背的 一侧边缘的间距；而相邻两个光源121中心之间的距离

。所述光源模块122在第 一偏转角度范围φ内的光束偏转精度，也就是所发出光束的发射方向能改变的最小角度， 可定义为分别点亮相邻两个光源121对应发出光束的预设发射方向之间的角度差异，若所 述投射透镜的焦距为f，则所述光源模块122所发出光束的偏转精度

，单个光源121经 所述投射透镜偏转后的光束发散角

。所述光源模块122发出光束的第一偏转范围φ 由光束偏转精度和光源121的组数决定。由于在上述实施例中，所述光源模块122的多个发 光单元120具有相同的尺寸且呈等间距排布，可据此计算出光源模块122所发出光束的预设 发射方向在第一偏转角度范围φ内的偏转精度。以发光单元120为VCSEL为例，每个光源121 的尺寸

，

，偏转精度δ和偏转后光束的发散角α皆由投射透镜 的焦距f决定。例如，若要求偏转精度

，则投射透镜的焦距

，所述光源121发出的光束经投射透镜偏转后的光束发散角

。若要求 所述第一偏转范围达到

，则需要所述光源模块122需要设置20个光源121。由此可 见，以具有共同半导体基底的VCSEL阵列作为发光单元120可大大缩短相邻两个光源121的 中心间距，使得所述光源121在相同偏转精度下所需要的投射透镜焦距更短，光源模块122 的结构更加紧凑。

应理解的是，在其他一些实施例中，所述光源模块122的多个发光单元120也可以呈非等间距的预设图案排布，通过设计和标定来确定光源121排布位置与所发出光束的预设发射方向之间的对应关系。然而，本申请对此不做具体限定，只需要使得所述光源模块122能够通过寻址改变所点亮的光源121位置来对应偏转所发出光束的预设发射方向即可。

可选地，在一些实施例中，若所述发光单元120发出光束的发散角过大会降低经所述投射透镜偏转后光束的方向性，需要在光束进入投射透镜之前缩小光束直径。请一并参阅图8和图9，在一些实施例中，所述光源模块122还可以包括会聚透镜125，所述会聚透镜125被配置对光束进行会聚以减少光源121所发出光束的发散角。

如图8所示，所述会聚透镜125可以为设置在光源121与投射透镜之间的微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个微透镜单元。可选地，所述微透镜单元可以与所述发光单元120对应设置，例如：一个微透镜单元对应一个发光单元120或者一个微透镜单元对应两个或两个以上发光单元120。或者，所述微透镜单元也可以与所述光源121对应设置，例如：一个微透镜单元对应一个光源121或者一个微透镜单元对应两个或两个以上光源121，本申请对此不做具体限定。

如图9所示，在其他一些实施例中，所述会聚透镜125还可以为柱形透镜，所述柱形透镜沿光束的发出方向设置在所述投射透镜的后方。亦即，所述柱形透镜设置在所述投射透镜背向所述光源121的一侧光路上，所述柱形透镜位于所述投射透镜与光束偏转模块124之间，或者说，所述投射透镜位于所述光源121与所述会聚透镜125之间。所述会聚透镜125被配置为对经所述投射透镜出射后的光束进行会聚后形成所述光源模块122发出的光束，以提高光源模块122所发出光束的指向性。

可选地，在其他一些实施例中，所述光学偏转器件123可以为硅基液晶相控阵列(LCOS-OPAs)或者声光偏转晶体，本申请对此不做具体限定，只要所述光学偏转器件123能够以预设的偏转精度δ在所述第一偏转角度范围φ内偏转光源121发出的光束即可。

如图10所示，所述光束偏转模块124包括至少一个液晶偏振光栅(Liquid Crystal Polarization Grating, LCPG)片127。所述LCPG片127被配置为将以不同偏振态入射的光 束分别衍射至与不同衍射级次对应的偏转角度。所述光束偏转模块124通过改变所述LCPG 片127的衍射状态和/或光束入射至LCPG片127时的偏振状态来对应控制LCPG片127偏转经 过光束的偏转角度。可选地，所述光束偏转模块124可以通过施加电压改变所述LCPG片127 中的液晶取向来对应改变LCPG片127对经过光束的衍射状态。例如，当入射光束为圆偏振光 且LCPG片127的相位延迟量为

的奇数倍时，可以通过设置入射光束的偏振态和LCPG片127 的相位延迟量，使得经过LCPG片127后形成的衍射光束在光栅的零级、正一级和负一级三个 衍射级次对应的偏转角度之间切换，各衍射级次对应的偏转角度由LCPG片127的周期决定。

可选地，可以通过设置液晶半波片128来控制入射至LCPG片127的光束的偏振态。具体而言，例如：一束右旋圆偏振光束经过未施加电压的液晶半波片128后变为左旋圆偏振光，经过LCPG片127后被衍射到正一级的同时再变为右旋圆偏振光；给液晶半波片128施加一个饱和电压使其不改变经过光束的偏振态，右旋圆偏振光经过液晶半波片128后仍为右旋圆偏振光，经过LCPG片127后被衍射至负一级的同时再变为左旋圆偏振光；给LCPG片127施加饱和电压后，光束将会被衍射至零级，即经过LCPG片127后不改变光束的传播方向和偏振态。所以，通过调节液晶半波片128改变光束入射至LCPG片127时的偏振态以及通过在LCPG片127上施加电压改变LCPG片127的衍射状态，可以将经过LCPG片127的光束对应偏转至与零级、正一级和负一级三个衍射级次对应的偏转角度。由此，在一些实施例中，所述光束偏转模块124可以包括LCPG单元129，一个LCPG单元129包括一个液晶半波片128及一个LCPG片127，以实现三个离散的偏转角度。单个LCPG片127的偏转角度可由光栅方程决定：

(1)

其中，

为入射波长，

为光栅周期，m=1,0,-1，

分别表示光束的入射角 和出射角。

由于入射的光束为圆偏振光的话，经过LCPG片127的衍射光束也一定为圆偏振光，LCPG单元129可以多个级联使用，通过将多个不同光栅周期的LCPG单元129组合级联并控制施加在液晶半波片128和LCPG片127上的电压，可以增加光束的偏转角度范围以及光束的偏转角度个数。

将多个LCPG单元129进行级联时还可以考虑LCPG片127的光栅矢量方向对光束偏转的影响，具有不同光栅矢量方向的LCPG片127对具有相同偏振态的光束的偏转方向会不同。例如：具有第一光栅矢量方向的LCPG片127将入射的左旋圆偏振光偏转与正一衍射级对应的偏转角度，而具有与第一光栅矢量方向相反的第二光栅矢量方向的LCPG片127会将入射的左旋圆偏振光偏转与负一衍射级对应的偏转角度。由此，根据LCPG片127的光栅矢量方向进行搭配可以获得对光束偏转不同方向的级联方式，如图11所示，若两个LCPG片127的光栅矢量方向相同，当一束圆偏振光束经过这两个LCPG片127时，由于LCPG片127会改变经过光束的偏振态，后一个LCPG片127对经过光束的偏转方向会与前一个LCPG片127对光束的偏转方向相反，光束经过两个LCPG片127后的总偏转角度为两个LCPG片127各自偏转角度的差值。如图12所示，若两个LCPG片127的光栅矢量方向相反，圆偏振光经过这两个LCPG片127时，后一个LCPG片127对光束的偏转方向与前一个LCPG片127对光束的偏转方向相同，光束经过两个LCPG片127后的总偏转角度为两个LCPG片127各自偏转角度之和。由此，当多个LCPG片127级联时也可以通过设置其中各个LCPG片127的光栅矢量方向来获得对光束的多个不同偏转角，使得以多个LCPG片127级联的方式来控制对光束的偏转角度具有更大的灵活性。应理解的是，所述LCPG片127的光栅矢量方向取决于LCPG片127中液晶分子的排列方向。

可选地，如图13所示，在一些实施例中，所述光束偏转模块124的多个液晶半波片128和LCPG片127可采用二值式的级联方式。所述光束偏转模块124包括沿光束的发出方向依次设置的多个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个LCPG片127，所述LCPG片127对光束的偏转角度按照沿光束的出射方向依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所在的LCPG单元129的序号减一。对应地，所述光束偏转模块124对经过光束的偏转角度为其中LCPG片127对经过光束的最小偏转角度的倍数，所述倍数的取值为二的LCPG单元129的序号次方减一。

具体而言，若所述光束偏转模块124包括M个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括 一个液晶半波片128和一个LCPG片127。M个LCPG单元129沿光束的出射方向依次排布且对经 过光束的偏转角度按照依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增。亦即，最靠近所述光 源模块122的第一个LCPG单元129对经过光束的偏转角度最小，而离所述光源模块122最远 的最后一个LCPG单元129对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG单元129对经过 光束的偏转角度为r，则按照沿光束的出射方向依次排布的M个LCPG单元129对经过光束的 偏转角度依次分别为

。对应地，包括M个LCPG单元129的整个 光束偏转模块124可以将经过的光束偏转的角度为

，可见所述光束偏转模块124能够提供的光束偏转 角度为其中单个LCPG单元129对经过光束的最小偏转角度r的倍数，倍数取值为自然数，自 然数的最大值为二的M次方减一，M为所述光束偏转模块124所包括的LCPG单元129的个数。 相邻级次偏转级别之间的角度间隔为r，亦即所述光束偏转模块124对经过光束的多个预设 偏转角度之间的角度间隔呈等差数列分布，所述角度间隔可视为所述等差数列的角度公 差，对经过光束的偏转精度为r。由此，基于二值式LCPG单元129级联的所述光束偏转模块 124对经过光束的第二偏转度范围

和能够提供的不同偏转角度的总个数

的关系表达式 为：

(2)

(3)

其中，r为M个LCPG单元129中对经过光束的最小偏转角度，M为所述光束偏转模块124中LCPG单元129的总个数。

在使用过程中，可以通过对LCPG单元129中的液晶半波片128施加电压来控制液晶半波片128对经过光束的偏振态的改变。例如，被施加饱和电压的所述液晶半波片128不改变经过光束的偏振态，未施加电压的所述液晶半波片128会改变经过光束的偏振态，比如：将左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光。另外，还可以通过对LCPG单元129中的LCPG片127施加电压来控制其对经过光束的衍射状态。例如，被施加饱和电压的所述LCPG片127对经过的光束不产生作用，亦即光束经过施加了饱和电压的LCPG片127后传播方向不发生改变，对应于所述LCPG片127对经过光束的零级衍射。未被施加电压的LCPG片127会将经过的光束偏转预设的偏转角度，偏转的方向与光束入射时的偏振态及LCPG片127的光栅矢量方向相关。由于同一个LCPG片127的光栅矢量方向维持不变，即对于同一个LCPG单元129而言，可以通过控制对液晶半波片128施加的电压来选择光束入射LCPG片127时的不同偏振态，进而将经过的光束往相较于入射方向对称分布的不同方向偏转预设的偏转角度，分别对应于所述LCPG片127对经过光束的正一级衍射和负一级衍射。

图14为二值式级联的LCPG单元129的电压控制与对经过光束的偏转角度的关系示意图，图14中的阴影区域表示给对应的液晶半波片128和LCPG片127施加了饱和电压，此时的液晶半波片128和LCPG片127对经过的光束不产生作用。白色区域表示关闭了施加给液晶半波片128和LCPG片127的电压，对应的液晶半波片128将改变经过光束的偏振态，对应的LCPG片127将偏转经过的光束。图14中示例性地给出了所述光束偏转模块124包括采取二值式级联的5个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个LCPG片127，按照沿光路的发出方向依次标示为：液晶半波片I和LCPG片I、液晶半波片II和LCPG片II、液晶半波片III和LCPG片III、液晶半波片IV和LCPG片IV以及液晶半波片V和LCPG片V，而且LCPG片I-V具有相同的光栅矢量方向。其中，所述LCPG片I-V对光束的偏转角度依次呈二的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所在的LCPG单元129的序号减一,依次对应为r、2r、4r、8r和16r。一并参阅图13和图14，以水平方向入射的光束为0度，向左偏转为正角度，向右偏转作为负角度建立参考系，若光束经过所述光束偏转模块124需要维持0度方向，则要对全部LCPG单元129的液晶半波片I-V和LCPG片I-V均施加饱和电压以不改变经过光束的方向；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+r，则要关闭LCPG片I的电压使其将光束偏转+r而且对后续的液晶半波片II-V和LCPG片II-V施加饱和电压以维持光束偏转+r的角度；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+3r，则要关闭LCPG片I的电压使其先将光束偏转+r，由于光束经过LCPG片I被偏转的同时也改变了偏振态，还需要通过关闭对液晶半波片II施加的饱和电压将经过光束的偏振态恢复回入射所述光束偏转模块124时的偏振态，再通过关闭对LCPG片II施加的饱和电压使其将已偏转+r的光束再偏转+2r以得到+3r的偏转角度，同时对后续的液晶半波片III-V和LCPG片III-V施加饱和电压以维持光束偏转+3r的角度。以此类推，所述光束偏转模块124也可以通过如图15所示的电压施加方式将经过的光束偏转其他的预设偏转角度。

应理解的是，图13和图14所示的光束偏转模块124也可以将经过光束对应偏转-r至-7r的角度，需要改变光束入射至光束偏转模块124时的偏振态或者通过改变对液晶半波片128施加的电压以对应调整光束经过各未施加电压的LCPG片127时的偏振态。

应理解的是，根据LCPG片127的衍射特性，所述光束入射时的偏振态可以为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光，取决于所述LCPG片127的光栅矢量方向以及预先定义的偏转方向。圆偏振光可以通过线偏振光或非偏振光产生,如果所述光源模块122发出光束为线偏振光，则通过一个四分之一波片即可变成圆偏振光；如果所述光源模块122发出的光为非偏振光或部分偏振光，则可先通过一个偏振片将其变成线偏振光，再通过一个四分之一波片将其变成圆偏振光。由此，所述光源模块122还可以包括偏振器件(图未示)，以将光源121发出的光束的偏振态调整为对应的圆偏振光。

可选地，如图15所示，在一些实施例中，所述光束偏转模块124的液晶半波片128和多个LCPG片127可采用类二值式的级联方式。所述光束偏转模块124包括沿光束的出射方向依次设置的一个液晶半波片128和多个LCPG片127，所述LCPG片127对光束的偏转角度按照沿光束的出射方向依次排布的顺序逐级递增，其中的一个LCPG片127与相邻的前一个LCPG片127对光束的偏转角度之差按照沿光路的出射方向依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增，所述自然数的取值为所述LCPG片127的序号减一。对应地，所述光束偏转模块124对经过光束的偏转角度为其中的LCPG片127对经过光束的最小偏转角度的倍数，所述倍数的取值为二的LCPG片127序号的次方再减一。

具体而言，类二值式级联的所述光束偏转模块124包括一个液晶半波片128和M个 LCPG片127。所述液晶半波片128沿光束的出射方向排在M个LCPG片127的前方，M个LCPG片 127沿光束的出射方向依次排布且对经过光束的偏转角度按照依次排布的顺序逐级递增。 亦即，最靠近所述光源模块122的第一个LCPG片127对经过光束的偏转角度最小，而离所述 光源模块122最远的最后一个LCPG片127对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG 片127对经过光束的偏转角度为r，则按照沿光束的出射方向依次排布的M个LCPG片127对经 过光束的偏转角度分别为：

。其中的一个LCPG片127与相 邻的前一个LCPG片127对光束的偏转角度之差按照沿光束的出射方向依次排布的顺序为：

,亦即呈二的自然数次方逐级递增，所述自然数的取值 为所述LCPG片127的序号减一。对应地，包括M个LCPG片127的整个光束偏转模块124可以将 经过的光束偏转的角度为

，可见所述光束偏转模块 124能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG片127对经过光束的最小偏转角度r的倍数， 倍数取值为自然数，自然数的最大值为二的M次方减一，M为所述光束偏转模块124所包括的 LCPG片127的个数。相邻级次的预设偏转角度之间的角度间隔为r，亦即所述光束偏转模块 124对经过光束的多个预设偏转角度之间的角度间隔呈等差数列，对经过光束的偏转精度 为r，所述角度间隔r可视为所述等差数列的角度公差。由此，基于类二值式LCPG片127级联 的所述光束偏转模块124对经过光束的第二偏转角度范围

和能够提供的不同偏转角度的 总个数

的关系表达式为：

(4)

(5)

其中，r为M个LCPG片127中对经过光束的最小偏转角度，M为所述光束偏转模块124中LCPG片127的总个数。

在使用过程中，可以通过对LCPG片127前方的液晶半波片128施加电压来改变入射至LCPG片127的光束的偏振态。例如，被施加饱和电压的所述液晶半波片128不改变经过光束的偏振态，未施加电压的所述液晶半波片128会改变经过光束的偏振态，比如：将左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光。另外，还可以通过对LCPG片127施加电压来控制其对经过光束的衍射状态。例如，被施加饱和电压的所述LCPG片127对经过的光束不产生作用，亦即光束经过施加了饱和电压的LCPG片127后传播方向不发生改变，对应于所述LCPG片127对经过光束的零级衍射。未被施加电压的LCPG片127会将经过的光束偏转预设的偏转角度，偏转的方向与光束入射时的偏振态及LCPG片127的光栅矢量方向相关。由于同一个LCPG片127的光栅矢量方向维持不变，可以通过控制对液晶半波片128施加的电压来选择光束入射LCPG片127时的不同偏振态，进而将经过的光束往相较于入射方向对称分布的不同方向偏转预设的偏转角度，分别对应于所述LCPG片127对经过光束的正一级衍射和负一级衍射。

图16为类二值式级联的液晶半波片128和LCPG片127的电压控制与对经过光束的偏转角度的关系示意图，图16中的阴影区域表示给对应的液晶半波片128和LCPG片127施加了饱和电压，此时的液晶半波片128和LCPG片127对经过的光束不产生作用。白色区域表示关闭了施加给液晶半波片128和LCPG片127的电压，对应的液晶半波片128将改变经过光束的偏振态，对应的LCPG片127将偏转经过的光束。图16中示例性地给出了所述光束偏转模块124包括采取类二值式级联的1个液晶半波片128和5个LCPG片127，按照沿光路的出射方向依次标示为：液晶半波片I和LCPG片I-V，而且LCPG片I-V具有相同的光栅矢量方向。其中，所述LCPG片I-V对光束的偏转角度依次逐级递增，对应为r、3r、7r、15r和31r。一并参阅图15和图16，以水平方向入射的光束为0度，向左偏转为正角度，向右偏转作为负角度建立参考系，若光束经过所述光束偏转模块124需要维持0度方向，则要对液晶半波片I和全部的LCPG片I-V均施加饱和电压以不改变经过光束的方向；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+r，则要关闭LCPG片I的电压使其将光束偏转+r而且对后续的LCPG片II-V施加饱和电压以维持光束偏转+r的角度；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+2r，则要关闭液晶半波片I的电压使其改变入射光束的偏振态，关闭施加给LCPG片I的电压使其先将被液晶半波片I改变偏振态的光束偏转-r。由于光束经过LCPG片I被偏转的同时也改变了偏振态，关闭施加给LCPG片II的电压，使其将经过的光束在之前-r角度的基础上再偏转+3r以得到总共+2r的偏转角度，同时对后续的LCPG片III-V施加饱和电压以维持光束偏转+2r的角度。以此类推，所述光束偏转模块124也可以通过如图17所示的电压施加方式将经过的光束偏转其他的预设偏转角度。

应理解的是，图15和图16所示的光束偏转模块124也可以将经过光束对应偏转-r至-7r的角度，需要改变光束入射至光束偏转模块124时的偏振态或者通过改变对液晶半波片128施加的电压以对应调整光束经过各未施加电压的LCPG片127时的偏振态。

相较于二值式级联的LCPG单元129，采用类二值式级联的液晶半波片128和LCPG片127可以通过往不同方向偏转光束的角度差值来设置想要实现的光束偏转角度，从而减少所需的液晶半波片128数量，具有更高的光束透过率。

可选地，如图17所示，在一些实施例中，所述光束偏转模块124的液晶半波片128和LCPG片127可采用三值式的级联方式。所述光束偏转模块124包括沿光束的出射方向依次设置的多个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个LCPG片127，所述LCPG片127对光束的偏转角度按照沿光束的出射方向依次排布的顺序呈三的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所在的LCPG单元129的序号减一。对应地，所述光束偏转模块124对经过光束的偏转角度为其中的LCPG片127对经过光束的最小偏转角度的一半的倍数，所述倍数的取值为三的LCPG单元129的序号次方减一。

具体而言，若所述光束偏转模块124包括M个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括 一个液晶半波片128和一个LCPG片127。M个LCPG单元129沿光束的出射方向依次排布且对经 过光束的偏转角度按照依次排布的顺序呈三的自然数次方逐级递增。亦即，最靠近所述光 源模块122的第一个LCPG单元129对经过光束的偏转角度最小，而离所述光源模块122最远 的最后一个LCPG单元129对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG单元129对经过 光束的偏转角度为r，则按照沿光束的出射方向依次排布的M个LCPG单元129对经过光束的 偏转角度分别为

。对应地，包括M个LCPG单元129的整个光束偏 转模块124可以将经过的光束偏转的角度为

，可见所 述光束偏转模块124能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG单元129对经过光束的最小 偏转角度r的一半的倍数，倍数取值为自然数，自然数的最大值为三的M次方减一，M为所述 光束偏转模块124所包括的LCPG单元129的个数。相邻级次的预设偏转角度之间的角度间隔 为r，亦即所述光束偏转模块124对经过光束的多个预设偏转角度之间的角度间隔呈等差数 列分布，对经过光束的偏转精度为r，所述角度间隔可视为所述等差数列的角度公差。由此， 基于三值式LCPG单元129级联的所述光束偏转模块124对经过光束的第二偏转角度范围

和能够提供的不同偏转角度的总个数

的关系表达式为：

(6)

(7)

其中，r为M个LCPG单元129中对经过光束的最小偏转角度，M为所述光束偏转模块124中LCPG单元129的总个数。

在使用过程中，可以通过对LCPG单元129中的液晶半波片128施加电压来控制液晶半波片128对经过光束的偏振态的改变。例如，被施加饱和电压的所述液晶半波片128不改变经过光束的偏振态，未施加电压的所述液晶半波片128会改变经过光束的偏振态，比如：将左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光。另外，还可以通过对LCPG单元129中的LCPG片127施加电压来控制其对经过光束的衍射状态。例如，被施加饱和电压的所述LCPG片127对经过的光束不产生作用，亦即光束经过施加了饱和电压的LCPG片127后传播方向不发生改变，对应于所述LCPG片127对经过光束的零级衍射。未被施加电压的LCPG片127会将经过的光束偏转预设的偏转角度，偏转的方向与光束入射时的偏振态以及LCPG片127的光栅矢量方向相关。由于同一个LCPG片127的光栅矢量方向维持不变，即对于同一个LCPG单元129而言，可以通过控制对液晶半波片128施加的电压来选择光束入射LCPG片127时的不同偏振态，进而将经过的光束往相较于入射方向对称分布的不同方向偏转预设的偏转角度，分别对应于所述LCPG片127对经过光束的正一级衍射和负一级衍射。

图18为三值式级联的LCPG单元129的电压控制与对经过光束的偏转角度的关系示意图，图18中的阴影区域表示给对应的液晶半波片128和LCPG片127施加了饱和电压，此时的液晶半波片128和LCPG片127对经过的光束不产生作用。白色区域表示关闭了施加给液晶半波片128和LCPG片127的电压，对应的液晶半波片128将改变经过光束的偏振态，对应的LCPG片127将偏转经过的光束。图18中示例性地给出了所述光束偏转模块124包括采取三值式级联的4个LCPG单元129，每个LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个LCPG片127，按照沿光路的出射方向依次标示为：液晶半波片I和LCPG片I、液晶半波片II和LCPG片II、液晶半波片III和LCPG片III以及液晶半波片IV和LCPG片IV，而且LCPG片I-IV具有相同的光栅矢量方向。其中，所述LCPG片I-IV对光束的偏转角度依次呈三的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所在的LCPG单元129的序号减一,对应为r、3r、9r和27r。一并参阅图17和图18，以水平方向入射的光束为0度，向左偏转为正角度，向右偏转作为负角度建立参考系，若光束经过所述光束偏转模块124需要维持0度方向，则要对全部LCPG单元129的液晶半波片I-IV和LCPG片I-IV均施加饱和电压以不改变经过光束的方向；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+r，则要关闭LCPG片I的电压使其将光束偏转+r而且对后续的液晶半波片II-IV和LCPG片II-IV施加饱和电压以维持光束偏转+r的角度；若光束经过所述光束偏转模块124需要偏转+2r，则要关闭液晶半波片I和LCPG片I的电压，入射光束经过液晶半波片I转变偏振态后经LCPG片I偏转-r角度的同时也被转变回入射时的偏振态，接着经过施加了饱和电压的液晶半波片II后保持入射时的偏振态不变，以在经过被关闭电压的LCPG片II时从-r角度被偏转+3r角度从而获得+2r角度的偏转，同时对后续的液晶半波片III-IV和LCPG片III-IV施加饱和电压以维持光束偏转+2r的角度。以此类推，所述光束偏转模块124也可以通过如图18所示的电压施加方式将经过的光束偏转其他的预设偏转角度。

应理解的是，图17和图18所示的光束偏转模块124也可以将经过光束对应偏转-r至-14r的角度，需要改变光束入射至光束偏转模块124时的偏振态或者通过改变对液晶半波片128施加的电压以对应调整光束经过各未施加电压的LCPG片127时的偏振态。

相较于二值式级联的LCPG单元129，采用三值式级联的LCPG单元129在相同的光束偏转精度和偏转范围下，需要的液晶器件数量更少，比如：图18所示的采用三值式级联的四个LCPG单元129的光束偏转范围要大于图14所示的以二值式级联的五个LCPG单元129的光束偏转范围，由此三值式级联的LCPG单元129具有更高的光束透过率。

应理解的是，上述各实施例中的LCPG片127为设置有电极可通过是否施加电压来调整其对经过光束作用的主动式LCPG片127。可选地，在其他一些实施例中，所述LCPG片127也可以为不设置电极的被动式LCPG片127。由于所述被动式LCPG片127一直处于不加电压的衍射状态，其会根据经过光束的偏振态将经过光束往相较于入射方向对称分布的不同方向偏转预设的偏转角度，分别对应于所述LCPG片127对经过光束的正一级衍射和负一级衍射。经过被动式LCPG片127的光束的偏振态可以通过在被动式LCPG片127入光侧搭配一个液晶半波片128来进行调节。

可选地，如图19所示，在一些实施例中，所述光束偏转模块124包括M个被动式LCPG 单元129，每个被动式LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个被动式LCPG片127。所述M 个被动式LCPG单元129采用二值式级联，M个被动式LCPG单元129沿光束的出射方向依次排 布且对经过光束的偏转角度按照依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增。亦即，最靠 近所述光源模块122的第一个被动式LCPG单元129对经过光束的偏转角度最小，而离所述光 源模块122最远的最后一个被动式LCPG单元129对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一 个被动式LCPG单元129对经过光束的偏转角度为r，则按照沿光束的出射方向依次排布的M 个被动式LCPG单元129对经过光束的偏转角度依次分别为

。对 应地，包括M个被动式LCPG单元129的整个光束偏转模块124可以将经过的光束偏转的角度 为

,可见所述光束偏转模块124能够提供的光束偏转角 度为其中单个被动式LCPG单元129对经过光束的最小偏转角度r的奇数倍，奇数的最大值为 二的M次方减一，M为所述光束偏转模块124所包括的被动式LCPG单元129的个数。相邻级次 的预设偏转角度之间的角度间隔为2r，亦即所述光束偏转模块124对经过光束的多个预设 偏转角度之间的角度间隔呈等差数列分布，对经过光束的偏转精度为2r，所述角度间隔可 视为所述等差数列的角度公差。由此，基于二值式级联的被动式LCPG单元129对经过光束的 第二偏转角度范围

和能够提供的不同偏转角度的总个数

的关系表达式为：

(8)

(9)

其中，r为M个被动式LCPG单元129中对经过光束的最小偏转角度，M为所述光束偏转模块124中被动式LCPG单元129的总个数。

在使用过程中，可以通过对被动式LCPG单元129中的液晶半波片128施加电压来选择入射至该被动式LCPG单元129中的被动式LCPG片127的光束的偏振态，从而对应控制光束经过被动式LCPG片127时被衍射的偏转方向。例如，若光束经过被施加饱和电压的液晶半波片128后再经过被动式LCPG片127时往正一级衍射的方向偏转，则光束经过未施加电压的液晶半波片128后再经过被动式LCPG片127时会往负一级衍射的方向偏转。由于光束在经过被动式LCPG片127被衍射的同时偏振态也会被改变，若要在下一个被动式LCPG单元129中往相同的衍射级别继续偏转则需要关闭对下一个被动式LCPG单元129中的液晶半波片128施加的电压以使得所述液晶半波片128将经过光束的偏振态变回去上一次偏转前的偏振态；若要在下一个被动LCPG单元129中往相反的衍射级别偏转则需要对下一个被动式LCPG单元129中的液晶半波片128施加饱和电压使其不改变经过光束的偏振态。

图20为二值式级联的被动式LCPG单元129的电压控制与对经过光束的偏转角度的关系示意图，图20中的阴影区域表示给对应的液晶半波片128施加了饱和电压，此时的液晶半波片128不改变经过光束的偏振态。白色区域表示关闭了施加给液晶半波片128的电压，对应的液晶半波片128将改变经过光束的偏振态。由于LCPG片127均为被动式，全部的被动式LCPG片127均无法施加电压，会根据经过光束的偏振态将其往正一级或负一级衍射对应的方向偏转预设角度。图20中示例性地给出了所述光束偏转模块124包括采取二值式级联的4个被动式LCPG单元129，每个LCPG单元129包括一个液晶半波片128和一个被动式LCPG片127，按照沿光束的出射方向依次标示为：液晶半波片I和被动式LCPG片I、液晶半波片II和被动式LCPG片II、液晶半波片III和被动式LCPG片III以及液晶半波片IV和被动式LCPG片IV，而且被动式LCPG片I-IV具有相同的光栅矢量方向。其中，所述被动式LCPG片I-IV对光束的偏转角度依次呈二的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所在的LCPG单元129的序号减一,对应为r、2r、4r和8r。

一并参阅图19和图20，以水平方向入射的光束为0度，向左偏转为正角度，向右偏转作为负角度建立参考系，若光束入射至光束偏转模块124时的偏振态会让被动式LCPG片127往正一级衍射的方向偏转光束而光束经过整个光束偏转模块124后想要获得+r的偏转角度，则要关闭对液晶半波片I的电压，使得经过液晶半波片I的光束先转变其偏振态，这样被动式LCPG片I会将经过的光束偏转-r同时将光束的偏振态变回入射时的偏振态。由于接下来需要使被动式LCPG片II和被动式LCPG片III分别将光束继续往-2r和-4r的方向偏转，需要对应关闭液晶半波片II和液晶半波片III的电压以让光束在进入相应的被动式LCPG片II和被动式LCPG片III之前先转变偏振态。最后，对液晶半波片IV施加饱和电压使其维持光束经过被动式LCPG片III后恢复回的入射时的偏振态，这样光束在经过被动式片IV时可以往与之前相反的方向偏转回+8r以最终得到+r的偏转方向。以此类推，所述光束偏转模块124也可以通过如图21所示的电压施加方式将经过的光束偏转其他的预设偏转角度。

应理解的是，图19和图20所示的光束偏转模块124也可以将经过的光束对应偏转-r至-15r的角度，需要改变对应位置的液晶半波片I-IV的电压施加情况以调整光束进入相应的被动式LCPG片I-IV前的偏振态，进而获得对应相反的偏转情况。

相较于上述的主动式LCPG单元129，被动式LCPG单元129在使用过程中不需要调整电压去改变被动式LCPG片127的液晶状态，只需要对应改变施加给液晶半波片128的电压即可实现对应的光束偏转角度的控制，具有响应速度快且驱动程序简单的有益效果。

为了确保所述LCPG片127内的液晶分子材料能够正常工作，需要控制所述光束偏转模块124的温度，使其处于一定的温度范围内。由此，在一些实施例中，如图4所示，所述光束偏转模块124还可以包括温度控制单元1242，所述温度控制单元1242被配置将所述LCPG单元129的温度控制在预设温度范围以内。液晶材料正常工作的温度范围为0～70℃，处于低温环境时，所述温度控制单元1242对LCPG单元129进行升温；处于高温环境时，所述温度控制单元1242对LCPG单元129进行降温。

应理解的是，级联设置的多个LCPG单元129可以将经过的光束沿一维方向偏转。为了实现光束在二维平面内的偏转，可选地，在一些实施例中，如图22所示，所述光束偏转模块124可以包括第一LCPG单元组1291和第二LCPG单元组1292，所述第一LCPG单元组1291和第二LCPG单元组1292分别包括级联设置的多个LCPG单元129。所述第一LCPG单元组1291被配置为沿预设的第一扫描方向偏转经过的光束，所述第二LCPG单元组1292被配置为沿预设第二扫描方向偏转经过的光束，所述第一扫描方向不同于第二扫描方向。

可选地，所述第一扫描方向可以垂直于所述第二扫描方向。例如：图21中的以零级光束的发出方向为Y轴，水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，建立正交直角坐标系，则所述第一扫描方向可以为沿X轴的水平方向，所述第二扫描方向可以为沿Z轴的竖直方向。应理解的是，所述扫描方向指的是对光束进行偏转的改变方向，不同于光束的发射方向，可以理解为对光束的发射方向进行改变时改变趋势所指的方向。

可选地，所述第一LCPG单元组1291对经过光束的偏转角度范围、偏转精度及所能提供的偏转角度个数等参数中的一个或多个可以与所述第二LCPG单元组1292相同或者不相同，本申请对此不做具体限定。

由此，所述光束偏转模块124通过设置具有不同扫描方向的LCPG单元组可以在二维平面内偏转光束以使得感测光束能够照射到更大的检测范围。

可选地，在其他一些实施例中，所述光束偏转模块124也可以通过其他方式对光源模块122发出的光束在预设的偏转角度范围内进行粗调偏转，例如以光学相控阵列(Optical Phased Array, OPA)或者液晶超颖表面(Liquid Crystal Metasurface, LCM)等方式偏转光源模块122发出的光束，本申请对此不做限定。

如图4所示，在一些实施例中，所述发射模组12还包括光束扩展模块126，所述光束偏转模块124沿预设的第一扫描方向偏转经过的光束，所述光束扩展模块126被配置为将光束的发散角沿预设的第二扫描方向扩展，所述第一扫描方向不同于第二扫描方向。可选地，所述第一扫描方向可以垂直于所述第二扫描方向。例如：图4中的以零级光束的发出方向为Y轴，水平方向为X轴，竖直方向为Z轴，建立正交直角坐标系，则所述第一扫描方向可以为沿X轴的水平方向，所述第二扫描方向可以为沿Z轴的竖直方向。应理解的是，所述扫描方向指的是对光束进行偏转的改变方向，不同于光束的发射方向，可以理解为对光束的发射方向进行改变时改变趋势所指的方向。

可选地，所述光束扩展模块126可以为扩束透镜。所述扩束透镜126包括沿第二扫描方向弯曲的光学表面，以对经过所述扩束透镜126的光束沿所述第二扫描方向进行弯折。应理解的是，所述光学表面沿第二扫描方向的弯曲情况可以通过该光学表面上沿第二扫描方向依次排布的各点沿预设方向的曲率和/斜率的变化情况进行描述。

如图22和图23所示，在一些实施例中，所述扩束透镜126可以为柱形凹透镜。以所述第一扫描方向为X轴，所述第二扫描方向为Z轴，零级感测光束发出方向为Y轴建立的正交直角坐标系作为参考，可以据此对所述柱形凹透镜的形状进行描述。所述柱形凹透镜包括沿零级感测光束发出方向所在的Y轴依次设置的入光面1262和出光面1264。所述入光面1262和出光面1264中的至少一个为沿所述第二扫描方向弯曲的光学表面。可选地，所述入光面1262为朝向零级感测光束发出方向所在的Y轴凹进去的内凹曲面，可作为所述扩束透镜126弯折所经过光束的光学表面。可选地，在一些实施例中，所述入光面1262沿所述第二扫描方向所在的Z轴具有变化的曲率。亦即，所述入光面1262上各点的曲率随该点在第二扫描方向所在的Z轴上的坐标的变化而变化，如图23所示，所述入光面1262在以该点所在的坐标系YOZ平面形成的横截面上为对应的曲面截线1265，该点的曲率指的是在所述曲线截线1265上沿该点切线方向的曲率。应理解的是，形成所述曲面截线1265的横截面也可以是垂直于所述第一扫描方向的平面。

可选地，在一些实施例中，所述入光面1262沿第一扫描方向保持平直，所述入光面1262与平行于第一扫描方向所在的X轴的平面之间的相交线为直线，亦即所述入光面1262上沿第一扫描方向所在的X轴对齐的两点之间的连线为直线。然本申请并不以此为限，在其他一些实施例中，所述入光面1262与平行于第一扫描方向所在的X轴的平面之间的相交线也可以为曲线。

可选地，所述出光面1264可以为垂直于零级感测光束发出方向所在的Y轴的平面。然本申请并不以此为限，在其他一些实施例中，所述出光面1264也可以为非平面，或者所述出光面1264也可以为不垂直于零级感测光束发出方向所在的Y轴的平面。

如图24和图25所示，在一些实施例中，所述扩束透镜126可以为柱形凸透镜。以所述第一扫描方向为X轴，所述第二扫描方向为Z轴，零级感测光束发出方向为Y轴建立的正交直角坐标系作为参考，可以据此对所述柱形凸透镜的形状进行描述。所述柱形凸透镜包括沿零级感测光束发出方向所在的Y轴依次设置的入光面1262和出光面1264。所述入光面1262和出光面1264中的至少一个为沿所述第二扫描方向弯曲的光学曲面。可选地，所述入光面1262为背向零级感测光束发出方向所在的Y轴凸出来的外凸曲面，可作为所述扩束透镜126弯折所经过光束的光学表面。可选地，在一些实施例中，所述入光面1262沿所述第二扫描方向所在的Z轴具有变化的曲率。亦即，所述入光面1262上各点的曲率随该点在第二扫描方向所在的Z轴上的坐标的变化而变化，如图25所示，所述入光面1262在以该点所在的坐标系YOZ平面形成的横截面上为对应的曲面截线1265，该点的曲率指的是在所述曲线截线1265上沿该点切线方向的曲率。应理解的是，所述坐标系YOZ平面也可以指的是垂直于所述第一扫描方向的平面。

可选地，在一些实施例中，所述入光面1262沿第一扫描方向保持平直，所述入光面1262与平行于第一扫描方向(亦即X轴方向)的平面之间的相交线为直线。亦即，所述入光面1262上沿第一扫描方向(亦即X轴方向)对齐的两点之间的连线为直线。然本申请并不以此为限，在其他一些实施例中，所述入光面1262与平行于第一扫描方向(亦即X轴方向)的平面之间的相交线也可以为曲线。

可选地，所述出光面1264可以为垂直于零级感测光束发出方向(亦即Y轴方向)的平面。然本申请并不以此为限，在其他一些实施例中，所述出光面1264也可以为非平面，或者所述出光面1264也可以不垂直于零级感测光束发出方向(亦即Y轴方向)。

如图24和图26所示，可选地，所述扩束透镜126的光轴沿所述光束偏转模块124的 零级感测光束发出方向(亦即Z轴方向)设置，所述零级感测光束的发出方向位于所述光束 偏转模块124偏转光束的角度范围的中间位置。由于所述光束偏转模块124仅沿第一扫描方 向偏转光束，经所述光束偏转模块124偏转后的光束位于整个检测范围在第二扫描方向上 的中间位置，所述光束经扩束透镜126扩展后沿第二扫描方向的发散角关于所述扩束透镜 126的光轴对称分布，若所述光束经扩束透镜126扩展后沿第二扫描方向的发散角为

,则 光束经扩束透镜126弯折后相较于光轴的最大偏离角度为

，

满足关系式：

(10)

其中，D为光束的直径大小，f为扩束透镜126的焦距。例如，若经所述扩束透镜126 扩展后的感测光束的发散角预设需要达到70度，则

，焦距

。

应理解的是，所述扩束透镜126的入光面1262沿所述第二扫描方向的曲率变化情况可以根据感测光束入射时的光束直径、经所述扩束透镜126扩展后的感测光束发散角、所述扩束透镜126的材料折射率以及所述扩束透镜126沿零级感测光束发出方向所在的Y轴的厚度等因素中的任意一种或多种的组合进行设置。

在以所述第一扫描方向为X轴，所述第二扫描方向为Z轴，光束偏转模块124的零级感测光束发出方向为Y轴建立的正交直角坐标系中，所述扩束透镜126的位置和摆放姿态使得其光轴与光束偏转模块124的零级光束发出方向所在的Y轴对齐。由于如图22和图24所示的柱形凹透镜和柱形凸透镜的形状沿第一扫描方向所在的X轴保持平直，亦即所述入光面1262与平行于第一扫描方向所在的X轴的平面之间的相交线为直线，这种情况下，如图26所示，只有沿零级光束发出方向的光束垂直于所述相交线入射扩束透镜126，经所述扩束透镜126扩展后不发生畸变，形成沿所述第二扫描方向的直线光束。而偏离零级光束发出方向入射的其他光束倾斜于所述相交线入射扩束透镜126，经所述扩束透镜126扩展后会发生畸变，经扩束后的光束并不沿预设的第二扫描方向而会发生弯曲畸变。

为了纠正沿所述第一扫描方向保持平直的扩束透镜126对扩束后的光束造成的畸变，如图27和图28所示，在一些实施例中，所述扩束透镜126的入光面1262沿第一扫描方向所在的X轴弯曲。可选地，在一些实施例中，所述入光面1262沿所述第一扫描方向所在的X轴具有变化的曲率。光束在所述入光面1262上的各个入射点沿所述第一扫描方向的曲率随光束经所述光束偏转模块124偏转后在该入射点的入射方向相应地变化，以使得在以入射参考面为横截面形成的所述入光面1262的曲面截线上入射光束的入射点1263的切线AA^、垂直于光束的入射方向，所述入射参考面为包括入射的光束及所述第一扫描方向所在的X轴在内的平面。对应地，所述扩束透镜126的出光面1264沿所述第一扫描方向具有与入光面1262相同的曲率变化，使得所述扩束透镜126整体沿所述第一扫描方向所在的X轴呈弯曲形状。在这种情况下，对于从不同方向入射至所述扩束透镜126的光束，其在所述扩束透镜126上对应的入射区域以及透过部分相当于垂直入射的效果，可以减少光束因倾斜透过所述扩束透镜126导致的畸变。

如前所述，所述扩束透镜126为了实现沿第二扫描方向扩展光束发散角的功能，其入光面1262需要沿第二扫描方向所在的Z轴弯曲，若要同时兼具纠正扩束后光束畸变的功能，所述扩束透镜126的入光面1262也需要沿所述第一扫描方向所在的X轴弯曲，由此所述扩束透镜126的入光面1262的弯曲变化情况需要从不同方向进行描述。例如，所述扩束透镜126的入光面1262和出光面1264具有沿所述第一扫描方向变化的第一曲率，所述入光面1262具有沿所述第二扫描方向变化的第二曲率。其中，所述第二曲率可以根据所述扩束透镜126的焦距、所述扩束透镜126所采用材料的折射率、光束经所述扩束透镜126后沿第二扫描方向被扩展的发散角大小以及入射光束的光束直径等因素进行设置。

可选地，在一些实施例中，所述入光面1262上光束的各入射点具有沿所述第一扫描方向所在的X轴变化的第一曲率，所述第一曲率可以为对应入射点在由所述入射参考面形成的曲面截线上沿切线方向的曲率。所述第一曲率可以根据光束入射至扩束透镜126前沿入射方向的传播路径长度进行设置。如图28所示，在一些实施例中，所述入光面1262上入射点的所述第一曲率的曲率半径为该入射点与该入射点的入射光束延长线在扩束透镜126光轴上的相交点之间的距离L。所述入光面1262上沿第一扫描方向所在的X轴坐标相同的点具有相同的第一曲率和对应的曲率半径。可选地，所述入光面1262上其他非入射点沿第一扫描方向的曲率可以等于与该点沿第一扫描方向具有相同位置，亦即具有相同的X轴坐标，的入射点的第一曲率。应理解的是，所述出光面1264沿所述第一扫描方向具有与所述入光面1262相同的曲率变化。

如图28所示，在一些实施例中，所述扩束透镜126沿零级光束的发出方向设置在所述光束偏转模块124之后，所述扩束透镜126对经所述光束偏转模块124偏转后的光束进行扩束。由于所述光束偏转模块124通过设置的液晶半波片128和LCPG片127来偏转经过的光束，经所述光束偏转模块124偏转后入射至所述扩束透镜126的光束根据其被偏转的角度分别由位于光束偏转模块124的光轴上不同位置的LCPG片127进行偏转。亦即，经所述光束偏转模块124偏转后的入射光束的反向延长线与光束偏转模块124光轴的相交点会分别位于所述光轴上的不同位置。由此，光束在所述扩束透镜126入光面1262上的入射点1263与入射光束的反向延长线在扩束透镜126光轴上的相交点1263之间的距离L也会根据光束的入射方向或者入射角度的变化而相应改变，进而体现为所述扩束透镜126的入光面1262沿第一扫描方向所在的X轴变化的第一曲率。

应理解的是，图27和图28所示以所述扩束透镜126为柱形凹透镜举例，为了纠正扩束后光束的畸变,所述柱形凹透镜的形状由原来沿所述第一扫描方向保持平直变为朝向零级光束发出方向内弯。类似地，对于所述扩束透镜126为柱形凸透镜的实施例，为了纠正扩束后光束的畸变，所述柱形凸透镜的形状也可以由原来沿所述第一扫描方向保持平直变为朝向零级光束发出方向内弯，所述柱形凸透镜的入光面1262上沿第一扫描方向的各点具有如上所述变化的第一曲率，在此不再赘述。

可选地，在其他一些实施例中，所述扩束透镜126的入光面1262沿所述第二扫描方向所在的Z轴的弯曲变化情况也可以通过入光面1262上沿第二扫描方向分布的各点的斜率变化情况进行描述。如图23所示，以所述第二扫描方向所在的Z轴和零级光束的发出方向所在的Y轴定义YOZ平面，在所述扩束透镜126通过YOZ平面形成的横截面内，所述扩束透镜126的入光面1262对应形成一个第一曲面截线1265，该第一曲面截线1265上各点的斜率根据该点的Y轴坐标变化。亦即，以所述扩束透镜126在垂直于第一扫描方向的横截面内，所述入光面1262对应形成的第一曲面截线1265上各点的斜率随该点在所述第二扫描方向所在的Y轴上的位置而变化。以所述扩束透镜126为柱形凹透镜为例，所述入光面1262为朝向零级光束发出方向凹进去的内凹曲面，所述入光面1262对应形成的第一曲面截线1265上沿第二扫描方向所在的Z轴从上至下分布的各点的斜率逐渐减少。亦即，所述入光面1262上各点的斜率随着该点在所述第二扫描方向上从上至下地逐渐减少。如图25所示，以所述扩束透镜126为柱形凸透镜为例，所述入光面1262为背向零级感测光束发出方向凸出来的外凸表面，所述入光面1262对应形成的第一曲面截线1265上沿第二扫描方向所在的Z轴从上至下分布的各点的斜率逐渐增加。亦即，所述入光面1262上各点的斜率随着该点在所述第二扫描方向从上至下地逐渐增加。可选地，所述入光面1262上各点的所述第二曲率可以为该点在对应形成的所述第一曲面截线上沿切线方向的曲率。

应理解的是，所述扩束透镜126的入光面1262和出光面1264沿所述第一扫描方向所在的X轴的弯曲情况也可以通过入光面126和出光面1264上沿第一扫描方向分布的各点的斜率变化情况进行描述。如图28所示，以所述第一扫描方向所在的X轴和零级光束发出方向所在的Y轴定义XOY平面，在所述扩束透镜126通过XOY平面形成的横截面内，所述扩束透镜126的入光面1262对应形成第二曲面截线1266，所述扩束透镜126的出光面1264对应形成第三曲面截线1267，该第二曲面截线1266和该第三曲面截线1267上各点的斜率随该点的X轴坐标变化。亦即，以所述扩束透镜126在垂直于第二扫描方向所在的Z轴的横截面内，所述入光面1262对应形成的第二曲面截线1266和出光面1264对应形成的第三曲面截线1267上各点的斜率沿第一扫描方向变化。以所述扩束透镜126为柱形凹透镜为例，在所述柱形凹透镜垂直于第二扫描方向所在的Z轴的横截面内，所述入光面1262对应形成的第二曲面截线1266和出光面1264对应形成的第三曲面截线1267上各点的斜率沿第一扫描方向从左至右逐渐减小。亦即，所述入光面1262和出光面1264上沿第一扫描方向依次分布的各点在第一扫描方向上的斜率从左至右逐渐减小。应理解的是，由于经所述光束偏转模块124的光束在同一个平面内沿第一扫描方向偏转，所以上述XOY平面也可视为前述由入射光束与第一扫描方向定义的入射参考面。

可选地，在一些实施例中，所述光束扩展模块126可以沿零级感测光束的发出方向设置在所述光束偏转模块124后方。亦即，所述光束扩展模块126可以位于所述光束偏转模块124背向光源模块122的一侧，或者说所述光束偏转模块124位于光源模块122与所述光束扩展模块126之间的位置。对应地，所述光束扩展模块126被配置为将经光束偏转模块124偏转后的光束的发散角沿预设的第二扫描方向进行扩展。由此，当所述光束偏转模块124将光束沿第一扫描方向进行偏转时，发散角经所述光束扩展模块126扩展后的感测光束随之沿第一扫描方向横扫的过程中能够照射到感测光束沿第二扫描方向扩展后所能覆盖到的区域，使得所述发射模组12发出的感测光束只需要沿第一扫描方向偏转也能照射到由沿第一扫描方向的光束偏转范围和沿第二扫描方向的光束扩展范围共同定义的二维平面区域，扩大了所述光电检测装置10的检测范围。

可选地，在一些实施例中，所述光束扩展模块126也可以沿零级感测光束的发出方向设置在所述光束偏转模块124的前方。亦即，所述光束扩展模块126可以位于所述光源模块122与所述光束偏转模块124之间的位置。对应地，所述光束扩展模块126被配置为先将光源模块122发出的光束沿第二扫描方向进行发散角的扩展。在此基础上，所述光束偏转模块124将发散角扩展后的光束沿第一扫描方向进行偏转以形成能够照射沿第一扫描方向的光束偏转范围和沿第二扫描方向的光束扩展范围共同定义的二维平面区域的感测光束。

应理解的是，本申请实施例的上述描述中所提及的透镜，例如：投射透镜、会聚透镜125及扩束透镜126等，可以是单个透镜，也可以是包括多个透镜的透镜组，本申请对此不做具体限定。

相较于通过分别具有不同扫描方向的LCPG单元组1291、1292来实现感测光束的二维平面扫描，通过所述光束扩展模块126来实现感测光束的二维平面扫描可以减少光束经过LCPG单元组1291、1292时因液晶分子反应所导致的延时。

如图2所示，所述光电检测装置10还包括控制电路18，所述控制电路18被配置为通 过控制所述光束偏转模块124和光源模块122以在所述光束偏转模块124的第二偏转角度范 围

内按照预设的偏转精度对应调整所发出的感测光束的偏转角度。可选地，在一些实施 例中，所述控制电路18可以包括偏转角度粗调单元184和偏转角度细调单元186。

所述偏转角度粗调单元184被配置为控制所述光束偏转模块124在第二偏转度范 围

内将经过的光束偏转预设的偏转角度，所偏转的角度按照预设的角度间隔r呈等差数 列排布。可选地，所述偏转角度粗调单元184例如可以通过调整对光束偏转模块124中对应 的LCPG单元129施加的电压来控制对经过光束的偏转角度。应理解的是，如前所述，不同级 联方式的LCPG单元129对经过光束的偏转角度与所施加的电压信号之间的对应关系各不相 同。所述偏转角度粗调单元184可以根据光束偏转模块124采用的LCPG单元129的级联方式 及感测光束当前所要偏转的角度来选择需要施加的电压控制信号。

所述偏转角度细调单元186被配置为控制所述光源模块122在预设的第一偏转角度范围φ内按照预设的偏转精度改变所发出光束的角度。可选地，在一些实施例中，所述偏转角度细调单元186例如可以通过寻址点亮位于不同位置的光源121来对应控制光源模块122所发出的光束的偏转角度。如前所述，所述光源模块122内的光源121设置在投射透镜的焦平面上，在所述焦平面上不同位置的光源121发出的光束经所述投射透镜后分别以对应的不同角度发出，由此通过寻址点亮不同位置的光源121可以控制所述光源模块122发出的光束在预设的第一偏转角度范围φ内按照预设的偏转精度进行偏转。

在使用时，通过所述偏转角度粗调单元184可以控制光束偏转模块124先配置好在 预设的第二偏转角度范围

内对光源模块122发出的光束在进行精度较低的粗调偏转的角 度，粗调偏转的角度按照预设的角度间隔r呈等差数列排布，所述角度间隔r为所述光束偏 转模块124的粗调偏转精度。通过所述偏转角度细调单元186可以控制光源模块122发出光 束，并在所述第一偏转角度范围φ内以预设的细调偏转精度

改变所发出光束的发射角度， 以使得经所述光束偏转模块124偏转的光束在已偏转的粗调偏转角度上进行偏转角度的细 调，偏转角度的细调范围可以为所述第一偏转角度范围φ。亦即，通过在所述第一偏转角度 范围φ内改变所述光源模块122发出光束的发射角度，可以使得经所述光束偏转模块124初 次偏转的光束能够在以已偏转的粗调偏转角度为中心的第一偏转角度范围φ内再进行精 度更高的细调偏转，所述光源模块122对所发出光束的偏转精度

为细调偏转精度。应理解 的是，通过将所述第一偏转角度范围φ设置成大于或等于所述角度间隔r可通过所述光束 偏转模块124和所述光源模块122对光束的两级偏转,以实现在第二偏转角度范围

内按照 预设偏转精度对感测光束的准连续偏转。

应理解的是，基于LCPG原理偏转光束的所述光束偏转模块124配置好对经过光束的粗调偏转角度所需的时间由LCPG片127的响应速度决定，主要取决于LCPG片127所使用的液晶材料的特性，为毫秒(ms)数量级，例如为1-10ms。

所述偏转角度细调单元186控制光源模块122在一个粗调偏转角度的基础上进行光束细调扫描所需要的时间取决于感测光束一次完整的发射和接收所需的时间及每一帧检测需要发射和接收感测光束的次数。感测光束一次完整的发射和接收所需的时间至少要大于发出的感测光束往返需满足的距离检测最远值的飞行时间。例如，若需满足的距离检测最远值为50米，则感测光束往返50米需要的飞行时间为334纳秒(ns)，考虑到抗干扰需要插入的随机时间间隔的冗余量，感测光束的一次完整的发射和接收所需的时间约为600ns。为了提高检测的信噪比，对于每个细调偏转角度，假设感测光束的发射次数需要达到1000次，因此对于每个细调偏转角度，感测光束的发射和接收所需的时间为1000*600ns=0.6ms。如上所述，所述偏转角度细调单元186需要对不同位置的光源进行寻址点亮来改变所发出光束的发射角度，而完成一轮寻址所需时间在ns量级。为了进一步减少耗时，所述控制电路18可控制光源模块122在沿其中一个细调偏转角度相邻两次发出的感测光束的间隔中同步寻址点亮其他光源121以沿第一偏转角度范围φ内的其他细调偏转角度发出光束。由此，在一个粗调角度上的第一偏转角度范围φ内对全部细调偏转角度都扫描检测所需时间约等于沿其中一个细调偏转角度发出预设的多次感测光束所需要的总时间。

应理解的是，对于所述光束偏转模块124在第二偏转角度范围

内提供的每一个 感测光束的粗调偏转角度，所述偏转角度细调单元186都可以控制光源模块122在选定的粗 调偏转角度周围的第一偏转角度范围φ内按照预设的细调偏转精度通过感测光束获取在 对应发射角度上的感测数据。在此基础上，所述处理电路15对在不同发射角度上发射感测 光束获取的感测数据进行处理和分析以获得对应发射角度上的三维信息。

对于三维信息检测的整个过程，除了考虑感测光束沿多个角度的扫描时间，还需要考虑对感测到光信号所生成的数据进行处理的时间。为了提高感测速度，本申请实施例可采用扫描和数据处理并行的方式，对在检测范围内的其中一个预设角度上通过发射感测光束获得的感测数据进行缓存，以在对下一个发射角度进行扫描感测的同时并行处理缓存的感测数据。

可选地，在一些实施例中，如果一个发射角度对应的感测数据量较大，可通过增加存储空间以缓存多个发射角度对应的感测数据的方式来延长数据处理的时间。

可选地，在一些实施例中，若不增加存储空间也可以通过延长感测光束细调扫描 时长的方式来为数据处理争取时间。例如：在一些实施例中，感测光束的角度粗调耗时为 4ms，在粗调偏转角度基础上进行感测光束的细调扫描耗时增加到2ms，即对于一个粗调偏 转角度，感测光束的扫描和感测需要的时间总共为6ms。若所述光束偏转模块124采用三个 主动式LCPG单元129的二值式或类二值式级联，可以将提供

个感测光束的 粗调偏转角度，则完成感测光束的一帧扫描和感测所需要的总时间为

， 相应的帧率达到11.1赫兹(Hz)。若所述光束偏转模块124采用四个被动式LCPG单元129的二 值式级联，可以提供

个感测光束的粗调偏转角度，则完成感测光束的一帧扫描和 感测所需要的总时间为

,相应的帧率达到10.4Hz。

相较于通过机械转动方案和混合固态方案实现对感测光束的偏转，本申请通过纯 固态的光源模块122和光束偏转模块124实现感测光束在第二偏转角度范围

内的准连续 偏转，不需要依赖部件的转动和振动，具有更好的可靠性和尺寸紧凑的有益效果。

如图2所示，所述接收模组14可以包括光电传感器140和接收光学器件144。所述接收光学器件144设置在光电传感器140的入光侧，被配置为将来自检测范围的光信号传播至所述光电传感器140进行感测。例如，在一些实施例中，所述接收光学器件144包括接收镜头。可选地，所述接收镜头可以包括一片透镜或多片透镜。所述光电传感器140被配置为感测经接收光学器件144从检测范围传播而来的光信号并输出相应的光感应信号。

可选地，在一些实施例中，所述接收模组14还可以包括信号放大器、模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)等器件中的一种或多种组成的周边电路(图未示)，所述周边电路可以部分或全部集成在所述光电传感器140中。

可选地，在一些实施例中，所述光电传感器140例如包括单个感光像素142或者包括多个感光像素142而形成感光像素阵列。所述光电检测装置10的检测范围可以包括多个分别位于不同位置的检测区域。可选地，所述光电传感器140的感光像素142在检测范围中具有对应的检测区域，从所述检测区域返回的光信号经所述接收光学器件144传播至对应的感光像素142进行感测。亦即，所述感光像素142对应的检测区域可视为该感光像素142经所述接收光学器件144形成的视场角所涵盖的空间范围。应理解的是，从所述检测区域返回的光信号包括被投射至该检测区域并且被位于该检测区域内的物体2反射回去的感测光束，也包括来自该检测区域的环境光的光子。

可选地，一个所述感光像素142可以包括单个光电转换器件或者包括多个光电转换器件。所述光电转换器件被配置为感测接收到的光信号并转换为相应的电信号作为所述光感应信号输出。所述光电转换器件例如为单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode, SPAD)、雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode, APD)、由多个SPAD并联设置的硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)和/或其他合适的光电转换元件。

如图29所示，在一些实施例中，所述发光单元120按照预设频率周期性地发射激光脉冲，所述激光脉冲经偏转形成所述感测光束向检测范围投射，即所述感测光束可以为具有预设频率的周期性脉冲光束。所述发光单元120在一个检测帧内可以发射多个激光脉冲，相邻两个激光脉冲发出时刻之间的时间段可定义为所述激光脉冲的一个发射时段。所述感光像素142具有与所述发射时段对应的感测时段。例如，所述感光像素142按照与发射时段相同的预设频率周期性执行感测，所述感测时段具有与发射时段一致的起始时刻和结束时刻。每发射一个激光脉冲的同时所述感光像素142开始感测从检测范围返回的光子，所述计时单元152根据接收模组14感测到光子所产生的光感应信号来确定所述接收模组14感测到光信号的接收时间。所述统计单元154根据计时单元152在一个检测帧的多个感测时段确定的光信号接收时间在对应的时间分箱内进行计数统计，以生成相应的统计直方图。所述感测时段的长度至少大于光子往返对应检测区域要求的距离检测最远值所需要的飞行时间，以确保能够感测到从距离检测最远值处反射回来的光子并进行计数。可选地，在一些实施例中，所述感测时段的长度可以根据检测区域要求的距离检测最远值进行对应设置。例如，所述感光像素142的感测时段长度与对应检测的检测区域需满足的距离检测最远值成正相关的关系，对于距离检测最远值较大的检测区域，实施对应检测的感光像素142的感测时段较长；对于距离检测最远值较小的检测区域，实施对应检测的感光像素142的感测时段较短。

可选的，在一些实施例中，所述控制电路18和/或处理电路15中的全部或一部分功能单元可以是固化在存储介质30内的固件或者是存储在存储介质30内的计算机软件代码，并由对应的一个或多个处理器40执行以控制相关部件来实现对应的功能。所述处理器40例如但不限于为应用处理器(Application Processor, AP)、中央处理器(CentralProcessing Unit, CPU)、微控制器(Micro Controller Unit, MCU)等。所述存储介质30包括但不限于闪存(Flash Memory)、带电可擦写可编程只读存储介质(ElectricallyErasable Programmable read only memory, EEPROM)、可编程只读存储介质(Programmable read only memory, PROM)、硬盘等。

可选的，在一些实施例中，所述处理器40和/或存储介质30可以设置在所述光电检测装置10内，比如：与所述发射模组12或者接收模组14集成在相同的电路板上。可选的，在其他一些实施例中，所述处理器40和/或存储介质30也可以设置在所述电子设备1的其他位置，比如：电子设备1的主电路板上。

可选的，在一些实施例中，所述控制电路18和/或处理电路15的一部分或全部功能单元也可以通过硬件来实现，例如通过下列技术中的任一项或者它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。可以理解的是，用来实现所述控制电路18和/或处理电路15功能的上述硬件可以设置在所述光电检测装置10内。用来实现所述控制电路18和/或处理电路15功能的上述硬件也可以设置在所述电子设备1的其他位置，比如：设置在电子设备1的主电路板上。

如图30所示，在一些实施例中，所述光电检测装置10例如为激光雷达，所述电子设备1例如为汽车。所述激光雷达可以安装在汽车上的多个不同位置，以检测汽车周边范围内物体的距离信息，并据此实现驾驶控制。

相较于采用机械转动方式和混合固态方式实现感测光束扫描的激光雷达，本申请提供的激光雷达10采用纯固态的LCPG方式实现感测光束的偏转扫描，由于不需要再依赖转动或振动部件，具有更高的可靠性和更紧凑的结构，较容易通过严格的车规要求，并且对汽车的外观影响更少。

需要说明的是，本申请所要保护的技术方案可以只满足上述其中一个实施例或同时满足上述多个实施例，也就是说，上述一个或多个实施例组合而成的实施例也属于本申请的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“某些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应当理解，本申请的实施例的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个功能单元可以用存储在存储介质中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扩束透镜，其特征在于，被配置为将沿第一扫描方向偏转多个不同角度入射的光束沿预设的第二扫描方向发散，所述扩束透镜包括：

入光面，被配置为接收入射的光束；及

出光面，被配置为出射所述光束，所述入光面和出光面沿光束的前进方向依次设置；

其中，所述入光面和出光面中的至少一个沿所述第二扫描方向弯曲以将经过光束的发散角沿所述第二扫描方向扩展，所述入光面和出光面以相同的弯曲程度沿所述第一扫描方向弯曲以避免光束沿所述第一扫描方向偏转时以倾斜于入光面和出光面的角度透过所述扩束透镜而导致畸变。

2.如权利要求1所述的扩束透镜，其特征在于，所述入光面的弯曲程度使得光束在沿所述第一扫描方向分布的各个入射点中的任意一个入射时的入射方向垂直于所述入光面被一入射参考面所截而形成的曲面截线上该入射点的切线，所述入射参考面为由入射的光束及所述第一扫描方向一起定义的平面。

3.如权利要求2所述的扩束透镜，其特征在于，所述入光面上各个入射点具有沿所述第一扫描方向变化的第一曲率，所述第一曲率为对应入射点在所述曲面截线上沿切线方向的曲率，所述出光面沿所述第一扫描方向具有与入光面相同的曲率变化。

4.如权利要求1所述的扩束透镜，其特征在于，所述入光面上各点具有沿所述第二扫描方向变化的第二曲率，所述第二曲率根据所述扩束透镜的焦距、所述扩束透镜所采用材料的折射率、光束经所述扩束透镜后沿第二扫描方向被扩展的发散角大小以及入射光束的光束直径中的任意一种或多种因素的组合进行设置。

5.如权利要求1所述的扩束透镜，其特征在于，所述入光面在由所述第二扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第一曲面截线，所述第一曲面截线上各点的斜率根据该点沿所述第二扫描方向的位置而变化，其中，所述零级光束的发出方向位于光束沿第一扫描方向偏转范围的中间位置，所述入光面沿所述第二扫描方向的弯曲程度可通过所述第一曲面截线上各点的斜率变化进行描述。

6.如权利要求1所述的扩束透镜，其特征在于，所述入光面在由所述第一扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第二曲面截线，所述出光面在由所述第一扫描方向和零级光束发出方向共同定义的平面所截的扩束透镜横截面内对应形成第三曲面截线，所述第二曲面截线和所述第三曲面截线上各点的斜率随该点沿所述第一扫描方向的位置而变化，其中，所述零级光束的发出方向位于光束沿第一扫描方向偏转范围的中间位置，所述入光面和出光面沿所述第一扫描方向的弯曲程度可对应通过所述第二曲面截线和第三曲面截线上各点的斜率变化进行描述。

7.一种发射模组，其特征在于，被配置为向检测范围内发射检测光束以对检测范围内的物体进行三维信息检测，其包括：

光源模块，被配置为发出光束，并在第一偏转角度范围内沿预设的第一扫描方向偏转所发出光束；

光束偏转模块，被配置为将光束分别在多个时刻沿所述第一扫描方向对应偏转不同的预设偏转角度以形成具有不同出射方向的感测光束；及

如权利要求1-6中任意一项所述的扩束透镜，被配置为将所述光束的发散角沿预设的第二扫描方向扩展。

8.如权利要求7所述的发射模组，其特征在于，所述光束偏转模块包括至少一个液晶半波片和至少一个液晶偏转光栅片，所述光束偏转模块通过改变光束经过所述液晶半波片和液晶偏振光栅片的衍射状态以将所述光束沿所述第一扫描方向偏转，所述扩束透镜的光轴与所述光束偏转模块在其光束偏转范围内位于中间位置的零级光束对齐，所述入光面上的各个入射点沿所述第一扫描方向具有变化的第一曲率，所述第一曲率对应的曲率半径为该入射点与该入射点的入射光束延长线在扩束透镜光轴上的相交点之间的距离。

9.一种光电检测装置，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的发射模组，所述光电检测装置还包括接收模组及处理电路，所述接收模组被配置为感测来自检测范围内的光信号并输出相应的光感应信号，所述处理电路被配置为分析处理所述光感应信号以获得在检测范围内物体的三维信息。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的光电检测装置，所述电子设备还包括应用模块，所述应用模块被配置为根据所述光电检测装置的检测结果实现相应的功能。

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