CN115657075A

CN115657075A - 合束装置及其制造方法

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Publication number: CN115657075A
Application number: CN202210575591.XA
Authority: CN
Inventors: 崔桐; 刘佳尧; 石拓
Original assignee: Zvision Technologies Co Ltd
Current assignee: Zvision Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-05-25
Also published as: CN115657075B

Abstract

本公开提供了一种合束装置及其制造方法。该合束装置包括，偏振分束器，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及设置在第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的斜面之间的偏振分束膜；第三直角棱镜；以及半波片，设置在第三直角棱镜的第一直角面上，该合束装置能够通过第一直角棱镜的第一直角面以及半波片分别接收作为入射到合束装置的光束的第一部分和第二部分的第一子光束和第二子光束，并通过第二直角棱镜的第二直角面出射传输通过合束装置的第一子光束和第二子光束，其中出射的第一子光束与第二子光束至少部分地重叠；以及其中，第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值。

Description

合束装置及其制造方法

技术领域

本公开涉及合束装置，更具体而言涉及合束装置及其制造方法、校准合束装置的系统和方法，以及包括合束装置的激光雷达系统和车辆。

背景技术

激光雷达(LiDAR或LADAR)通过向目标物体发射激光光束并接收从目标物体反射的光束来测量目标物体的位置、速度等信息。其中，基于微机电系统(MEMS)微镜的激光雷达作为固态激光雷达的典型代表，被业内广泛地研究与应用(以下用MEMS微镜代指微机电系统微镜)。

为了满足车规震动的要求，MEMS微镜的口径一般相对较小，从而限制了整个激光雷达光学系统的通光口径。受到限制的通光口径会影响所发射的激光光束的利用效率，从而影响激光雷达的最远探测距离。

因此，需要在MEMS微镜口径受限的情况下，提高光束能量利用率。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供了一种合束装置及其制造方法、校准合束装置的系统和方法，以及包括合束装置的激光雷达系统和车辆，能够改善光束的利用效率，满足实际的各种应用需求。

本公开的一个方面涉及一种合束装置。该合束装置包括，偏振分束器，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及设置在第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的斜面之间的偏振分束膜；第三直角棱镜；以及半波片，设置在第三直角棱镜的第一直角面上，其中，第三直角棱镜在光的入射方向上与偏振分束器并行地设置并且第三直角棱镜的第二直角面被设置成面向且邻近第二直角棱镜的第一直角面，使得所述合束装置能够通过第一直角棱镜的第一直角面以及半波片分别接收作为入射到所述合束装置的光束的第一部分和第二部分的第一子光束和第二子光束，并通过第二直角棱镜的第二直角面出射传输通过所述合束装置的第一子光束和第二子光束，其中出射的第一子光束与出射的第二子光束至少部分地重叠；以及其中，第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值。

本公开的另一个方面涉及一种校准方法，用于制造根据本公开实施例的合束装置，包括：将第三直角棱镜置于初始位置处；调整第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向，直至达到使出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值的目标取向；以及在保持目标取向的状态下固定第三直角棱镜。

本公开的另一个方面涉及一种校准系统，用于执行根据本公开实施例的校准方法，包括：操控装置，被配置为可操作地改变至少第三直角棱镜的取向；偏振片，被配置为通过改变透光方向，从合束装置的出射光束中选取出射的第一子光束或出射的第二子光束；透镜，被配置为将从出射光束中选取得到的出射的第一子光束会聚在焦平面上，获得所述参考焦点位置，以及将从出射光束中选取得到的出射的第二子光束会聚在焦平面上，获得所述测试焦点位置；以及识别装置，设置在透镜的焦平面上，被配置为识别参考焦点位置和测试焦点位置。

本公开的另一个方面涉及一种制造方法，用于制造根据本公开实施例的合束装置，其中，在制造合束装置的过程中，使用根据本公开实施例的校准方法来设定至少第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向。

本公开的另一个方面涉及一种激光雷达系统，其中，该系统使用根据本公开实施例的合束装置在激光的准直光路中压缩发射光束的尺寸而不改变发射光束的发散角。

本公开的另一个方面涉及一种车辆，其中，该车辆使用根据本公开实施例的激光雷达系统来提供传感信息。

附图说明

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本公开的上述和其它目的和优点做进一步的描述。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图标记来表示。

图1是例示MEMS激光雷达的示意图；

图2是例示现有技术的偏振合束装置的示意图；

图3a是例示现有技术的偏振合束装置在存在公差的情况下的光路的示意图，图3b和图3c分别示出了在半导体激光器的准直光路中分别加入理想的偏振合束装置以及存在公差的偏振合束装置的情况下，从偏振合束装置出射的准直光束在传播一定距离(20米)后的光斑分布；

图4a是例示准直光束经过现有技术的偏振合束装置前后的光束尺寸变化的示意图，图4b和图4c分别示出了入射光束光斑分布和出射光束光斑分布；

图5a是例示根据本公开实施例的合束装置的配置的示意性透视图；

图5b是例示根据本公开实施例的合束装置的配置的示意性平面图；

图6a是例示错位量对根据本公开实施例的合束装置的出射光束尺寸的影响的示意图，图6b和图6c示出了与不同错位量对应的出射光束尺寸以及出射光束光斑分布的两个示例；

图7a是例示根据本公开实施例的校准方法的流程图；

图7b是例示根据本公开实施例的调整第三直角棱镜的取向的步骤的子步骤的流程图；

图8是例示用于校准根据本公开实施例的合束装置的校准系统的示意图；

图9是例示根据本公开实施例的激光雷达系统的示意图；以及

图10是例示根据本公开实施例的车辆的示意图。

具体实施方式

参考附图进行以下详细描述，并且提供以下详细描述以帮助全面理解本公开的各种示例实施例。以下描述包括各种细节以帮助理解，但是这些细节仅被认为是示例，而不是为了限制本公开，本公开是由随附权利要求及其等同内容限定的。在以下描述中使用的词语和短语仅用于能够清楚一致地理解本公开。另外，为了清楚和简洁起见，可能省略了对公知的结构、功能和配置的描述。本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的示例进行各种改变和修改。

图1示出了一种常规的MEMS激光雷达的发射端的简化示意图。如图1所示，在MEMS激光雷达系统100中，从诸如半导体激光器(LD)之类的光源发射的光束在到达扩束系统前可以依次经过快轴准直器、慢轴准直器、光阑、反射镜和MEMS微镜。MEMS微镜可以用于偏转发射光束的方向，从而对目标对象(未示出)进行扫描。

假设LD在慢轴方向上的发光面尺寸为h₁，发散角(FWHM，全角)为θ₁，并且MEMS微镜在慢轴方向上的通光口径尺寸为h₂，通光口径处的发散角为θ₂，则根据光学不变量，满足

h₁sin(θ₁/2)＝h₂sin(θ₂/2) 式1

由此，通光口径处的发散角为θ₂可以被计算为：

θ₂＝arcsin(h₁sin(θ₁/2)/h₂)×2 式2

以一种常见的LD(h₁约为100μm，θ₁约为10°)为例进行说明。如果在如图1所示的系统中使用该LD作为光源，并且MEMS微镜的通光口径尺寸h₂约为2mm，则该通光口径处的发散角θ₂约为0.5°。

根据式2可知，如果期望减小MEMS微镜的通光口径处的发散角θ₂，需要减小h₁或sinθ₁。但是，无论是减小h₁还是sinθ₁，一般都意味着减小LD发射光束的利用率，从而使得整个光学系统的光学利用效率受到限制。对于激光雷达系统而言，光学利用效率受到限制会导致激光雷达的最远探测距离受到限制。

本申请的发明人认识到，可以通过采用合束装置来解决以上问题。具体而言，通过采用合束装置将入射光束的两部分在空间中重合，可以在不改变发射光束的发散角的情况下减少发射光束的尺寸，从而提高光学发射效率。

图2示出了一种现有技术的偏振合束装置的示意图。其中，仅出于例示的目的，在图2以及后续的图3a、图5b、图6a和图8中标注了XYZ坐标系。

如图2所示，现有技术的偏振合束装置200包括在一个斜面处设置有偏振分束膜的斜方棱镜以及与斜方棱镜胶合的直角棱镜和半波片。根据图2中的光路示意图可知，入射的单束准直激光束被分成两束光，其中位于上半部分的第一束光(p偏振光)透射通过该偏振合束装置，而位于下半部分的第二束光通过半波片从p偏振光转换成s偏振光，再通过两次反射后与上半部分的第一束光在空间中重合，从而实现了对单束准直激光束的压缩。

但是，本申请的发明人认识到，该偏振合束装置中存在以下问题，从而无法应用于激光雷达。

首先，该偏振合束装置的合束效果受到光学元件的制造公差的影响。图3a示出了该偏振合束装置在存在公差的情况下的光路的示意图。如图3a所示，经合束的两束光(传输通过偏振合束装置后出射的第一束光和第二束光)可以被视为两束独立传播的光，如果这两束光之间存在微小的角度偏差，则随着距离的逐渐增加，两束光会逐渐分开而失去最初的合束效果。由于光学器件的制造公差问题，两束光之间总是会存在一定的角度偏差。因此，通过该偏振合束装置进行合束(压缩)的准直光束在传播一定距离后会再次分开(展宽)。一般而言，车辆用补盲激光雷达的使用距离至少在20m以上，而车辆用主激光雷达的使用距离在100～200m之间。在此距离范围下，角度偏差的影响是将合束装置应用于激光雷达前必须要考虑的问题之一。图3b示出了在半导体激光器的准直光路中加入理想的偏振合束装置的情况下，从偏振合束装置出射的光束在传播一定距离(20米)后的光斑分布，而图3c示出了在半导体激光器的准直光路中加入存在公差(假设斜方棱镜的两个斜面之间的角度偏差为2’)的偏振合束装置的情况下，从偏振合束装置出射的光束在传播一定距离(20米)后的光斑分布。从中可以看出，当两个反射平面之间存在2’的角度偏差时，20m处的光斑已经完全分开，可以认为发散角变为原先的2倍，合束装置已经失去原本的使用意义。

其次，该偏振合束装置的压缩能力受到合束装置的光学孔径及入射光尺寸的影响。

合束装置的理想压缩能力是将入射准直光束的尺寸压缩到一半，即，出射光束尺寸相比于入射光束尺寸的比率(即，压缩比)为1/2。但是，现有技术的偏振合束装置的压缩能力受合束装置的光学孔径及入射光束尺寸的影响，很难达到理想的压缩比。下面结合图4a-图4c来举例说明这个问题。本领域技术人员容易理解，这里的“尺寸”一般指进行光束的合束(压缩)的方向(Y方向)上的尺寸。

假设入射的准直光束的尺寸为8mm，上述偏振合束装置的通光孔径为10mm。图4a示出了该准直光束在经过上述偏振合束装置前后的光束尺寸变化，图4b和图4c分别具体示出了入射光束光斑分布和出射光束光斑分布。从图4a中可以看出，入射的准直光束的上半部分(第一束光)的传播路径保持不变，而入射的准直光束的下半部分(第二束光)的传播路径向上平移，其中平移量由偏振合束装置的光学孔径确定。具体而言，平移量为偏振合束装置的光学孔径的一半，从而使得出射光束的尺寸是通光孔径的一半。因此，如果偏振合束装置的光学孔径与入射的准直光束的尺寸不一致，则出射光束的尺寸不是所期望的入射光束的尺寸的一半。在图4a示出的例子中，第二束光的传播路径向上平移了5mm，使得出射的第一束光和第二束光未完全重合，并且出射光束的尺寸为5mm，不是所期望的入射光束的尺寸的一半(4mm)。由此，如图4b和图4c所示，出射光束光斑的尺寸大于入射光束光斑的尺寸的一半。

一方面，在实际应用中，光学器件的光学孔径通常被设定为大于入射光束的尺寸。由此，上述偏振合束装置无法实现理想压缩比。即使出射的光束可以通过光阑来限制尺寸，但同样意味着能量的损失。相应地，会导致激光雷达的最远探测距离降低。

另一方面，上述偏振合束装置的压缩能力随着入射光尺寸的变化而发生变化。具体而言，上述偏振合束装置中的光学孔径一旦确定，则入射光尺寸越小，出射的第一束光和第二束光的重合度就越低，压缩效果就越差。即，上述偏振合束装置无法适应于不同尺寸的光束的合束需要。

本申请的发明人提出了一种能够补偿元件制造公差并消除孔径匹配对合束的影响的合束装置及其制造方法、校准合束装置的系统和方法，以及包括合束装置的激光雷达系统和车辆。在该合束装置中，可以通过调整单个直角棱镜来补偿光学元件的公差，以保证在远距离处的合束效果。此外，该合束装置采用错位型的布置方式，建立了错位量与光束压缩比之间的定量关系，因此可以通过调整错位量，在合束装置的最大孔径内，实现对任意尺寸光束的最大压缩，从而使出射能量最大化。所提出的偏振合束技术可以实际应用于激光雷达领域并极大地提升雷达测距能力。

将参考图5a至图5b描述根据本公开实施例的合束装置500。图5a是例示根据本公开实施例的合束装置500的配置的示意性透视图，图5b是合束装置500的配置的示意性平面图。

在本公开的实施例中，合束装置500可以包括偏振分束器510。其中，如图5a和5b所示，偏振分束器510包括第一直角棱镜511、第二直角棱镜512以及设置在第一直角棱镜511的斜面与第二直角棱镜512的斜面之间的偏振分束膜513。

即，第一直角棱镜511和第二直角棱镜512可以用于承载偏振分束膜513。这里，为保证偏振分束膜的入射侧介质与出射侧介质的折射率一致，第一直角棱镜511和第二直角棱镜512由相同的材料或具有相同折射率的材料构成，但本申请不限于此。

偏振分束膜513可以用于分离不同偏振态的光。在图5a-图5b所示的示例中，入射的准直光束为p偏振光，因此设置能够透射p偏振光且反射s偏振光的偏振分束膜。但这仅是示例，本申请不限于此。例如，在入射的准直光束为s偏振光的情况下，可以选择使用能够透射s偏振光且反射p偏振光的偏振分束膜。

在一些实施例中，为了保证良好的效率，选取对于p偏振光的透过率Tp>95％且对于s偏振光的反射率Rs>99％的偏振分束膜，但本申请不限于此。

在本公开的各种实施例中，合束装置500还可以包括第三直角棱镜520和半波片530。其中，半波片530设置在第三直角棱镜520的第一直角面P31上。

如上所述，在图5a-图5b所示的示例中，入射的准直光束为p偏振光，因此，半波片530被配置为将入射的p偏振光转换为s偏振光。类似地，在入射的准直光束为s偏振光的情况下，半波片530可以用于将入射的s偏振光转换为p偏振光。在一些实施例中，为保证良好的效率，半波片530被设置成波片快轴与入射光的偏振方向之间的夹角满足45°±1’。此外，优选地，半波片的延迟量应当对于波长、温度、入射角等不敏感。

在图5a-图5b中，第三直角棱镜520被示意性例示为与偏振分束器510中的第一直角棱镜511和第二直角棱镜512具有相同的尺寸，但本公开不限于此，可以根据实际需要进行设计，只要偏振分束器510的边长(l_PBS)和第三直角棱镜520的直角面长度(l_prism)能够分别大于入射光束尺寸的一半以接收整个入射光束即可。

在一些实施例中，为了容易实现更高的合束精度，第一直角棱镜511、第二直角棱镜512和第三直角棱镜520中的各个直角棱镜的45°角公差可以被控制在1’以内。但本领域技术人员容易理解，本申请不限于此。实际上，市面上常见的直角棱镜都能够满足本申请对于直角棱镜的精度要求。

在一些实施例中，为了提高元件透过率，第一直角棱镜511、第二直角棱镜512和第三直角棱镜520的位于光路中的各个表面中的至少部分表面上面可以设置有针对选定波长的增透膜。

在各种实施例中，如图5a和图5b所示，第三直角棱镜520可以在光的入射方向(Z方向)上与偏振分束器510并行地设置并且第三直角棱镜520的第二直角面P32可以被设置成面向且邻近第二直角棱镜512的第一直角面P21。

基于以上布置，合束装置500能够通过第一直角棱镜511的第一直角面P11以及半波片530分别接收作为入射到所述合束装置的光束540的第一部分和第二部分的第一子光束541和第二子光束542。

在一些实施例中，入射的光束540可以是准直的激光光束。优选地，入射的准直光束540可以是p偏振光或s偏振光，从而减少偏振合束过程中的偏振相关损耗。例如，在图5a-图5b所示的示例中，作为入射光束，可以使用由边缘发射半导体激光器发射的、经过准直的光束，其中p偏振光占98％，s偏振光占2％，可以被认为是p偏振光。但本领域技术人员容易理解，本申请不限于此。

如图5a-图5b所示，入射的光束540正入射在合束装置500上。

为了实现理想的合束效果，优选地，光束540的第一部分(第一子光束541)和第二部分(第二子光束542)各是光束540的一半。例如，如图5b所示，第一子光束541是光束540在X方向上的上半部分，而第二子光束542是光束540在X方向上的下半部分。但本领域技术人员容易理解，本申请不限于此。例如，在一些实施例中，第一子光束541的尺寸可以与第二子光束542的尺寸有少许差别。或者，在一些实施例中，除了第一部分和第二部分以外，光束540还可以包括相对较小的第三部分。

如图5b所示，作为p偏振光的第一子光束541通过第一直角棱镜511的第一直角面P11进入偏振分束器510，依次透射通过第一直角棱镜511、偏振分束膜513和第二直角棱镜512，最后从第二直角棱镜512的第二直角面p22出射。

相应地，作为p偏振光的第二子光束542首先通过半波片530转换成s偏振光，然后进入第三直角棱镜520并在其斜面处发生全发射。经过一次反射的第二子光束542随后进入偏振分束器510，并在偏振分束膜513处经历第二次反射。最后，第二子光束542同样从第二直角棱镜512的第二直角面p22出射。值得注意的是，为了满足全反射条件，第三直角棱镜520的斜面处一般无需镀层。

因此，基于以上布置，合束装置500能够通过第二直角棱镜512的第二直角面p22出射传输通过该合束装置的第一子光束541和第二子光束542。其中，出射的第一子光束541和第二子光束542至少部分地重叠，从而实现了合束的效果。

此外，值得注意的是，出射的第一子光束541和第二子光束542中的一个为p偏振光，而另一个为s偏振光。在图5a-图5b所示的示例中，入射的准直光束为p偏振光，因此，出射的第一子光束541为p偏振光，而出射的第二子光束542为s偏振光。

本申请的发明人认识到，式1中的光学不变量并没有考虑偏振，而电磁场作为矢量场可以分为两个正交的偏振态，即p偏振与s偏振。当考虑偏振态时，光学不变量应同时对于两个偏振态均成立。例如，在图5a-图5b所示的示例中，对于入射光(尺寸为D，发散角为θ)而言：

p偏振：D×sin(θ/2)占100％

s偏振：D×sin(θ/2)占0％

而对于出射光而言：

p偏振：D/2×sin(θ)占50％

s偏振：D/2×sin(θ)占50％

因此，根据本公开的偏振合束过程依然满足光学不变量。但是，由于该偏振合束过程的本质是将一部分p偏振的空间频率带宽转到了s偏振的空间频率带宽中，因此能够有利地在不扩大发散角的前提下缩小光束尺寸。

在各种实施例中，第三直角棱镜520相对于偏振分束器510的取向可以被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值。在下文中，使得出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值的第三直角棱镜520相对于偏振分束器510的取向可以被称为目标取向。

通过将第三直角棱镜520的取向设定成目标取向，可以使出射的第二子光束与出射的第一子光束能够在离开合束装置后的至少预定距离处仍保持合束状态。例如，如上所述，车辆用补盲激光雷达的使用距离至少在20m以上，而车辆用主激光雷达的使用距离在100～200m之间，为了能够在激光雷达领域应用该合束装置，预定距离可以被设定为至少20m。因此，在一些实施例中，角度偏差的预设差值可以被设定为至多0.8’。在一些实施例中，可以将第三直角棱镜520的取向设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束平行。这是一种理想状态，在实际中，只要满足出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值即可。

通过基于出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差来设定第三直角棱镜520的取向，可以从实际的合束效果出发来确定合束装置的布置，从而补偿由器件制造公差引起的合束效果随着传播距离的增加而逐渐消失的问题。

在一些实施例中，可以在制造合束装置500的过程中进行校准处理，以将第三直角棱镜520相对于偏振分束器510的取向设定成目标取向。例如，可以在装配过程中调整第三直角棱镜520相对于偏振分束器510的取向，直至达到目标取向。例如，为了简化操作，可以将第三直角棱镜520设置成在装配过程中是姿态可调的，诸如可旋转的，但本申请不限于此。然后，可以通过胶合第三直角棱镜520与偏振分束器510等方式来保持该取向。后面将结合图7a-图7b以及图8来详细描述校准处理的具体示例。

本申请的发明人认识到，在入射光束尺寸不变的前提下，通过设定在光的入射方向上偏振分束器510的光入射面(第一直角棱镜511的第一直角面P11)相对于第三直角棱镜520的光入射面(第三直角棱镜520的第一直角面P31)的错位量g，可以改变出射光束的尺寸。

下面将结合图6a-图6c来进行解释。图6a示出了上述错位量对根据本公开实施例的合束装置的出射光束尺寸的影响，图6b和图6c示出了与不同错位量对应的出射光束尺寸和出射光束光斑分布的两个示例。

如图6a所示，根据几何关系，合束装置的出射光束的尺寸D_out满足:

D_out＝l_prism-g 式3

其中，l_prism表示第三直角棱镜520的直边长度，g表示在光的入射方向(Z方向)上偏振分束器510的光入射面(第一直角棱镜511的第一直角面P11)相对于第三直角棱镜520的光入射面(第三直角棱镜520的第一直角面P31)的错位量。

本申请的发明人认识到，当g小于0(即，偏振分束器510的光入射面比第三直角棱镜520的光入射面更接近光入射侧)或者g增加到使得第三直角棱镜520与偏振分束器510在光的入射方向(Z方向)上的重合距离小于第二子光束542的尺寸时，第二子光束542中的一部分光将无法进入偏振分束器510，从而导致了效率的降低。因此，为了避免对效率的影响，g被设定成满足：

0≤g≤l_prism-D_in/2 式4

其中，D_in表示合束装置的入射光束的尺寸。由式3和式4可知，当g＝l_prism-D_in/2时，出射光束的尺寸D_out取得最小值D_out＝D_in/2，即，光束的压缩比为50％，第一子光束和第二子光束完全重合(重合度为100％)。

由此，在已知入射光尺寸的前提下，通过控制错位量，本公开的实施例的合束装置能够实现对光束的最大压缩或任何其它期望的压缩比。例如，相较于图6b中无错位的合束装置，图6c中错位的合束装置可以实现将光束压缩到50％以实现能量利用率的最大化。

因此，在各种实施例中，错位量g可以被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度。在一些实施例中，出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度可以为100％。这是一种理想状态，在实际中，只要满足出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度即可。在一些实施例中，预设重合度可以根据需求进行设定。例如，在期望实现能量利用率最大化的情况下，预设重合度可以被设定成接近100％。

类似地，在一些实施例中，可以在制造合束装置500的过程中进行校准处理，以设定错位量g。例如，可以在装配过程中调整错位量g，直至达到期望的重合度。在一些实施例中，可以将第三直角棱镜520设置成在装配过程中是位置可调的，诸如可移动的，但本申请不限于此。或者，也可以不经过调整而直接根据计算的值设定错位量g。后面将详细描述设定错位量g的具体示例。

下面结合图7a-图7b和图8来描述根据本公开实施例的合束装置的校准。其中，图7a示出了根据本公开实施例的校准方法的流程图，图7b示出了根据本公开实施例的调整取向的步骤的子步骤的流程图，以及图8示出了根据本公开实施例的校准系统。上面结合图5a-5b、图6a-图6c所描述的内容也可以适用于对应的特征，这里不再重复描述。

根据本公开实施例的校准方法700可以用于制造上述合束装置。

在一些实施例中，可以使用图8中所示的校准系统800来执行校准方法的部分步骤。如图8所示，校准系统800可以包括操控装置802。在各种实施例中，操控装置802可以被配置为可操作地改变至少第三直角棱镜520的取向。此外，图8所示的校准系统800还包括偏振片804、透镜806和设置在透镜806的焦平面上的识别装置808。这些部件的具体功能将在下文中结合具体步骤来详细解释。本领域技术人员容易理解，可以替代地或者附加地使用其它系统来执行用于制造上述合束装置的校准方法，而不限于图8所示的校准系统800。

可选地，在一些实施例中，校准系统800还可以包括光源模块(未例示)，其中，该光源模块被配置为提供准直的激光束。

在步骤710，将第三直角棱镜520置于初始位置处。在一些实施例中，为了便于调节，初始位置可以是其中第三直角棱镜520的第二直角面P32靠近且基本平行于第二直角棱镜512的第一直角面P21的位置，但本申请不限于此。例如，可以使用图8中所示的操控装置802对第三直角棱镜520进行初始定位。

在步骤720，调整第三直角棱镜520相对于偏振分束器510的取向，直至达到使出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值的目标取向。

如上所述，目标取向是实现出射的第二子光束与出射的第一子光束在离开合束装置至少预定距离后仍能够保持合束状态的条件。在一些实施例中，预定距离不是无限远，因此目标取向不是唯一的，而是一个范围。例如，对于预定距离不小于20m的激光雷达领域，可以将预设差值设定为0.8’。即，角度偏差的上限被设定为0.8’。因此，其中出射的第二子光束与出射的第一子光束的角度偏差不大于0.8’的第三直角棱镜520的取向都可以被认为是目标取向。

在一些实施例中，调整第三直角棱镜的取向直至达到目标取向的步骤(步骤720)可以通过如图7b所示的若干个子步骤来实现。

在子步骤722，将准直光束正入射到待校准的合束装置500。

为了便于校准，一般使准直光束正入射到待校准的合束装置500且入射到偏振分束器510的第一子光束与入射到半波片530的第二子光束具有相同的尺寸，但本申请不限于此，可以根据实际需要进行设定。

与图5a-图5b所示的示例中一样，这里以入射的准直光束为p偏振光为例进行说明。由此，出射的第一子光束为p偏振光，而出射的第二子光束为s偏振光。但本申请不限于此。

在子步骤724，从出射光束中选取出射的第一子光束(p偏振光)，并会聚所选取的出射的第一子光束，获得在焦平面上的参考焦点位置。

在子步骤726，从出射光束中选取出射的第二子光束(s偏振光)，并会聚所选取的出射的第二子光束，获得在焦平面上的测试焦点位置。

本申请的发明人认识到，出射的第一子光束和第二子光束中的一个为p偏振光，而另一个为s偏振光，因此可以利用能够选择特定的偏振态的偏振片来选取出射的子光束。例如，图8所示的偏振片804可以被配置为通过改变透光方向，从合束装置500的出射光束中选取出射的第一子光束或出射的第二子光束。

因此，在一些实施例中，通过使出射光束经过偏振片，并调整偏振片的透光方向，可以从出射光束中选取出射的第一子光束(p偏振光)或出射的第二子光束(s偏振光)。

此外，本申请的发明人认识到，通过使准直光束通过透镜，能够在透镜的焦平面上获取光束的傅里叶频谱信息。由此，可以通过在透镜的焦平面上识别焦点位置来判断两束光的偏离程度，而无需在非常远的距离处观测光斑，这能够有利地缩小校准系统的体积。

因此，在一些实施例中，利用如图8所示的透镜806，将从出射光束中选取得到的出射的第一子光束会聚在焦平面上，获得参考焦点位置；并将从出射光束中选取得到的出射的第二子光束会聚在焦平面上，获得测试焦点位置。

在一些实施例中，可以利用识别装置来记录参考焦点位置和/或测试焦点位置。例如，图8所示的识别装置808可以被配置为识别参考焦点位置和测试焦点位置。在一些实施例中，识别装置可以是识别光斑的相机，但本申请不限于此。

在子步骤728，改变第三直角棱镜的取向，以减少测试焦点位置与参考焦点位置之间的距离，直至二者重合。

例如，在一些实施例中，观察测试焦点位置与参考焦点位置是否重合。如果未重合，则利用图8中所示的操控装置802来改变第三直角棱镜的取向，直至测试焦点位置与参考焦点位置重合。操控装置802的示例可以包括夹持设备(诸如夹爪)、抽吸设备(诸如吸嘴)或承载设备(诸如载台)等。在一些实施例中，可以通过旋转的方式来调节取向，但本申请不限于此。

虽然以上结合图7b描述了调整第三直角棱镜的取向的步骤720的示例，但本领域技术人员容易理解，本申请不限于此。

在步骤740，在保持目标取向的状态下固定第三直角棱镜。

例如，可以通过胶合的方式来固定第三直角棱镜。但本领域技术人员容易理解，本申请不限于此。

在一些实施例中，方法700还包括在将第三直角棱镜置于初始位置处的步骤(步骤710)之前，在第三直角棱镜520的第二直角面P32与第二直角棱镜512的第一直角面P21中的至少一个表面上预涂敷粘合剂。然后，在保持目标取向的状态下固定第三直角棱镜的步骤(步骤740)中，固化该粘合剂。例如，在一些实施例中，可以通过在固化粘合剂的过程中持续监控测试焦点位置的来保持目标取向的状态。

在一些实施例中，为了在增加调整范围以适应于不同的制造公差水平的同时减少通过粘合剂层泄露的光，粘合剂的厚度可以被设定在30μm～50μm之间，但本申请不限于此。

在一些实施例中，方法700还包括调整在光的入射方向上偏振分束器的光入射面相对于第三直角棱镜的光入射面的错位量，直至达到使出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度的目标错位量(步骤730)。

如上所述，一般期望出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度可以为100％以实现能量利用率的最大化。这是一种理想状态，在实际中，只要满足使出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度的错位量就可以被认为是目标错位量。在一些实施例中，预设重合度可以被设定成接近100％。

在一些实施例中，调整错位量直至达到目标错位量的步骤(步骤730)可以包括：将准直光束正入射到合束装置中；以及改变第三直角棱镜的位置以改变错位量，直至合束装置的出射光束的尺寸变成最小。

例如，在一些实施例中，为了简化操作，可以使用图8中所示的操控装置802和识别装置808(从系统800中移除了偏振片804和透镜806)来调整错位量以达到目标错位量。例如，在一些实施例中，利用操控装置802来改变第三直角棱镜的位置以调整错位量，并利用识别装置808观察出射光束的光斑尺寸，直至找到出射光束的光斑尺寸最小的状态。在一些实施例中，可以通过平移的方式来调节错位量，但本申请不限于此。

或者，在一些实施例中，可以使用根据式3计算的值直接设定该错位量，使得出射的第一子光束与出射的第二子光束的重合度不小于预设重合度。

值得注意的是，在以上校准方法的各个步骤之间的边界仅仅是说明性的。在实际操作中，各个步骤之间可以任意组合，甚至合成单个步骤。此外，各个步骤的执行顺序不受描述顺序的限制，并且部分步骤可以省略。例如，步骤720和步骤730可以同时执行。例如，可以在将准直光束正入射到待校准的合束装置中后，并行或者串行地改变第三直角棱镜相对于合束装置的取向和位置以改变相对取向和错位量，以及通过安装、移除偏振片804和透镜806来分别确定是否达到目标状态。在一些实施例中，部分步骤或子步骤也可以重复执行。

本公开实施例还提供了用于制造上述实施例中的合束装置的制造方法。在该方法中，使用根据上述实施例中的校准方法来设定至少第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向。

如上所述，除了设定第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向，还可以使用上述实施例中的校准方法来设定第三直角棱镜的位置，以设定上述错位量。

本公开实施例还提供了激光雷达系统。该系统使用上述实施例中的合束装置在激光的准直光路中压缩发射光束的尺寸而不改变发射光束的发散角。

图9示意性地例示了根据本公开实施例的激光雷达系统900的发射端的配置。与图1中所示的激光雷达系统100的不同之处在于：准直的激光光束在进入MEMS微镜912之前先通过了根据上述实施例中的合束装置908以压缩发射光束的尺寸而不改变发射光束的发散角。由此，减小了MEMS微镜的口径限制对光束利用效率的影响。在一些实施例中，除了合束装置908，激光雷达系统900还可以包括光源902、快轴准直器904、慢轴准直器906、聚集模块910、MEMS微镜912和扩束系统914。

本公开实施例还提供了车辆。该车辆使用上述实施例中的激光雷达系统来提供传感信息。

图10示意性地例示了根据本公开实施例的使用上述激光雷达系统的车辆1000的配置。

激光雷达系统1002可以被用作车辆1000中的传感器，为车辆提供传感信息。例如，激光雷达系统1002可以使用图9中的激光雷达系统900实现。其中，关于激光雷达系统1002的具体配置，这里不再重复描述。

在一些实施例中，除了用作传感器的激光雷达系统1002，车辆1000还包括车辆控制器1004和机动系统1006。其中，车辆控制器1004可以根据激光雷达系1002的感测结果调整机动系统1006。

例如，在以上实施例中包括在一个单元中的多个功能可以由分开的装置来实现。替选地，在以上实施例中由多个单元实现的多个功能可分别由分开的装置来实现。另外，以上功能之一可由多个单元来实现。这样的配置包括在本公开的技术范围内。

在本公开中，流程图中所描述的步骤不仅包括以所述顺序按时间序列执行的处理，而且包括并行地或单独地而不是必须按时间序列执行的处理。此外，甚至在按时间序列处理的步骤中，也可以适当地改变该顺序。

本公开实施例的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本公开中的术语“或”表示包括性的“或”，而非排除性的“或”。提及的“第一”组件不必然要求提供“第二”组件。此外，除非明确指示，否则“第一”或“第二”组件不表示将提及的组件限制于特定顺序。术语“基于”意指“至少部分基于”。

Claims

1.一种合束装置，包括：

偏振分束器，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜以及设置在第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的斜面之间的偏振分束膜；

第三直角棱镜；以及

半波片，设置在第三直角棱镜的第一直角面上，

其中，第三直角棱镜在光的入射方向上与偏振分束器并行地设置并且第三直角棱镜的第二直角面被设置成面向且邻近第二直角棱镜的第一直角面，使得所述合束装置能够通过第一直角棱镜的第一直角面以及半波片分别接收作为入射到所述合束装置的光束的第一部分和第二部分的第一子光束和第二子光束，并通过第二直角棱镜的第二直角面出射传输通过所述合束装置的第一子光束和第二子光束，其中出射的第一子光束与出射的第二子光束至少部分地重叠；以及

其中，第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值。

2.如权利要求1所述的合束装置，其中，所述合束装置的出射光束的尺寸D_out满足：

D_out＝l_prism-g

其中，l_prism表示第三直角棱镜的直边长度，g表示在光的入射方向上偏振分束器的光入射面相对于第三直角棱镜的光入射面的错位量，且满足：

其中，D_in表示所述合束装置的入射光束的尺寸。

3.如权利要求2所述的合束装置，其中：

所述错位量被设定成使得出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度。

4.一种校准方法，用于制造如权利要求1-3中任一项所述的合束装置，包括：

将第三直角棱镜置于初始位置处；

调整第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向，直至达到使出射的第二子光束与出射的第一子光束之间的角度偏差不大于预设差值的目标取向；以及

在保持目标取向的状态下固定第三直角棱镜。

5.如权利要求4所述的校准方法，其中，调整第三直角棱镜的取向直至达到目标取向包括：

将准直光束正入射到待校准的合束装置；

从出射光束中选取出射的第一子光束，并会聚所选取的出射的第一子光束，获得在焦平面上的参考焦点位置；

从出射光束中选取出射的第二子光束，并会聚所选取的出射的第二子光束，获得在焦平面上的测试焦点位置，以及

改变第三直角棱镜的取向，以减少测试焦点位置与参考焦点位置之间的距离，直至二者重合。

6.如权利要求4所述的校准方法，还包括：

调整在光的入射方向上偏振分束器的光入射面相对于第三直角棱镜的光入射面的错位量，直至达到使出射的第二子光束与出射的第一子光束的重合度不小于预设重合度的目标错位量。

7.如权利要求6所述的校准方法，其中，调整所述错位量直至达到目标错位量包括：

将准直光束正入射到所述合束装置中；以及

改变第三直角棱镜的位置以改变所述错位量，直至所述合束装置的出射光束的尺寸变成最小。

8.如权利要求4所述的方法，还包括在将第三直角棱镜置于初始位置处之前，在第三直角棱镜的第二直角面与第二直角棱镜的第一直角面中的至少一个表面上预涂敷粘合剂，以及

在保持目标取向的状态下固定第三直角棱镜包括固化所述粘合剂。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述粘合剂的厚度在30μm ～50μm之间。

10.如权利要求5所述的方法，其中，通过使出射光束经过偏振片，并调整偏振片的透光方向，从出射光束中选取出射的第一子光束或出射的第二子光束。

11.如权利要求5所述的方法，其中，利用透镜：

将从出射光束中选取得到的出射的第一子光束会聚在焦平面上，获得所述参考焦点位置；以及

将从出射光束中选取得到的出射的第二子光束会聚在焦平面上，获得所述测试焦点位置。

12.一种校准系统，用于执行如权利要求4或5所述的校准方法，包括：

操控装置，被配置为可操作地改变至少第三直角棱镜的取向；

偏振片，被配置为通过改变透光方向，从合束装置的出射光束中选取出射的第一子光束或出射的第二子光束；

透镜，被配置为将从出射光束中选取得到的出射的第一子光束会聚在焦平面上，获得所述参考焦点位置，以及将从出射光束中选取得到的出射的第二子光束会聚在焦平面上，获得所述测试焦点位置；以及

识别装置，设置在透镜的焦平面上，被配置为识别参考焦点位置和测试焦点位置。

13.如权利要求12所述的校准系统，还包括：

光源模块，被配置为提供准直的激光束。

14.一种制造方法，用于制造如权利要求1-3中任一项所述的合束装置，所述包括：

在制造所述合束装置的过程中，使用如权利要求4-11中任一项所述的校准方法来设定至少第三直角棱镜相对于偏振分束器的取向。

15.一种激光雷达系统，其中，

所述系统使用根据权利要求1-3中任一项所述的合束装置在激光的准直光路中压缩发射光束的尺寸而不改变发射光束的发散角。

16.一种车辆，使用根据权利要求15所述的激光雷达系统来提供传感信息。