CN116560157B - 基于柱面透镜扩束的声光偏转模组、测距装置及电子设备 - Google Patents

基于柱面透镜扩束的声光偏转模组、测距装置及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种基于柱面透镜扩束的声光偏转模组，包括光源模块、声光偏转模块、会聚光学器件、液晶偏振光栅模块及柱面扩束透镜。光源模块包括发光单元及准直发光单元发出光束的柱面准直透镜。声光偏转模块根据所施加的声波频率在预设的第一偏转角度范围内沿第一方向将光束偏转多个不同的预设偏转角度。会聚光学器件被配置为对偏转后的光束进行会聚。液晶偏振光栅模块被配置为对经偏转和会聚的光束分别在多个时刻进一步偏转对应的不同预设偏转角度以形成不同发射方向的感测光束。柱面扩束透镜对感测光束沿第二方向的发散角进行扩展以形成长条形的感测光束，其长度方向平行于与第一方向垂直的第二方向。本申请还提供测距装置及电子设备。

Description

基于柱面透镜扩束的声光偏转模组、测距装置及电子设备
技术领域
本申请属于光电检测领域，尤其涉及一种基于柱面透镜扩束的声光偏转模组、测距装置及电子设备。
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测量具有感测距离远、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光的发射方向进行扫描的方式来获得更大的检测范围。目前，其中一种改变检测光发射方向的方式为采用机械结构转动检测装置，然而此种方式往往需要多个分立器件组配成机械转动结构，发射/接收的光路调试和装配复杂度高，机械转动结构也容易损坏失准，而且因机械转动结构的尺寸较大而对使用它的终端设备外形造成影响。另外一种改变检测光发射方向的方式为混合固态方案，主要采用振动部件带动光学部件的方式改变检测光的发射方向。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，但由于振动部件也容易损坏，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，本申请提供能够改善现有技术问题的一种基于柱面透镜扩束的声光偏转模组、测距装置及电子设备。
第一方面，本申请提供一种基于柱面透镜扩束的声光偏转模组，被配置为向检测范围发射基于飞行时间原理进行三维信息检测的感测光束，其包括：
光源模块，包括：
一个或更多个发光单元，被配置为发出光束；
柱面准直透镜，被配置为对所述发光单元发出的光束进行准直；
声光偏转模块，被配置为接收经准直的光束并根据所施加的声波频率在预设的第一偏转角度范围内沿第一方向将光束偏转多个不同的预设偏转角度；
会聚光学器件，被配置为对经所述声光偏转模块偏转后的光束进行会聚；
液晶偏振光栅模块，被配置为对经偏转和会聚的光束分别在多个时刻进一步偏转对应的不同预设偏转角度以形成不同发射方向的感测光束；及
柱面扩束透镜，设置在所述液晶偏振光栅模块的出光侧，所述柱面扩束透镜包括沿第二方向弯曲设置的光学表面，被配置为对所述感测光束的发散角沿所述第二方向进行扩展以形成长条形的感测光束，定义所述感测光束具有最大尺寸的方向为其长度方向，所述长条形感测光束的长度方向平行于所述第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直设置。
第二方面， 本申请提供一种测距装置，被配置为对位于预设检测范围内的物体进行距离检测。所述测距装置包括接收模组、处理电路以及如上所述的声光偏转模组。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。
第三方面，本申请提供一种电子设备，包括应用模块及如上所述的测距装置。所述应用模块被配置为根据所述测距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声光偏转模块实现感测光束在预设偏转角度范围内的连续偏转，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中所述测距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中所述声光偏转模组一实施例的部分光路示意图。
图5为图2中所述声光偏转模组另一实施例的部分光路示意图。
图6为图2中所述声光偏转模组又一实施例的部分光路示意图。
图7为图2中所述声光偏转模块的结构示意图。
图8为图4中所述LCPG模块中的LCPG单元的结构示意图。
图9为本申请一实施例提供的二值式级联的LCPG模块的结构示意图。
图10为本申请一实施例提供的类二值式级联的LCPG模块的结构示意图。
图11为本申请一实施例提供的三值式级联的LCPG模块的结构示意图。
图12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13为图2中所述声光偏转模组一实施例的结构示意图。
图14为图2中所述声光偏转模组的另一实施例的结构示意图。
图15为图10中所述声光偏转模组的柱面扩束透镜一实施例的结构示意图。
图16为图11中所述柱面扩束透镜的侧视光路图。
图17为图10中所述声光偏转模组的柱面扩束透镜另一实施例的结构示意图。
图18为图12中所述柱面扩束透镜的侧视光路图。
图19为图2中所述声光偏转模组的光束扩展模块的结构示意图。
图20为本申请一实施例提供的测距装置进行检测时的信号时序图。
图21为本申请一实施例提供的测距装置作为汽车激光雷达的结构示意图。
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基于柱面透镜扩束的声光偏转模组，被配置为向检测范围发射基于飞行时间原理进行三维信息检测的感测光束，其包括光源模块、声光偏转模块、会聚光学器件、液晶偏振光栅模块及柱面扩束透镜。所述光源模块包括一个或更多个发光单元及柱面准直透镜，所述发光单元被配置为发出光束，所述柱面准直透镜被配置为对所述发光单元发出的光束进行准直。所述声光偏转模块被配置为接收经准直的光束并根据所施加的声波频率在预设的第一偏转角度范围内沿第一方向将光束偏转多个不同的预设偏转角度。所述会聚光学器件被配置为对经所述声光偏转模块偏转后的光束进行会聚。所述液晶偏振光栅模块被配置为对经偏转和会聚的光束分别在多个时刻进一步偏转对应的不同预设偏转角度以形成不同发射方向的感测光束。所述柱面扩束透镜设置在所述液晶偏振光栅模块的出光侧。所述柱面扩束透镜包括沿第二方向弯曲设置的光学表面，被配置为对所述感测光束的发散角沿所述第二方向进行扩展以形成长条形的感测光束，定义所述感测光束具有最大尺寸的方向为其长度方向，所述长条形感测光束的长度方向平行于所述第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直设置。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块包括沿第二方向排布的多个发光单元，所述柱面准直透镜包括沿所述光束传播方向依次设置的入光面和出光面，所述出光面为用于光束准直的光学曲面，所述出光面在柱面准直透镜垂直于所述第一方向的横截面上为曲线，所述出光面在柱面准直透镜垂直于所述第二方向的横截面上为直线。
可选地，在一些实施例中，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向；或者，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向为水平方向。
可选地，在一些实施例中，所述柱面扩束透镜为平凹柱面透镜，所述平凹柱面透镜以内凹弯曲的入光面作为所述光学表面；或者，所述柱面扩束透镜为平凸柱面透镜，所述平凸柱面透镜以外凸弯曲的入光面作为所述光学表面。
可选地，在一些实施例中，所述液晶偏振光栅模块偏转光束的多个预设偏转角度按照预设的第一角度间隔形成等差数列，所述第一偏转角度范围大于或等于所述第一角度间隔。
可选地，在一些实施例中，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的多个液晶偏振光栅单元，每个液晶偏振光栅单元包括一个液晶半波片和一个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对经过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，所述自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
可选地，在一些实施例中，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的多个液晶偏振光栅单元，每个液晶偏振光栅单元包括一个液晶半波片和一个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对经过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，自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
可选地，在一些实施例中，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的一个液晶半波片和多个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对光束的偏转角度按照沿光束出射方向依次排布的顺序逐渐增大，其中一个液晶偏振光栅片与相邻的前一个液晶偏振光栅片对光束的偏转角度之差按照沿光束出射方向依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块进一步包括缩束光学器件，所述缩束光学器件被配置为将经所述柱面准直透镜准直后的光束先缩小至预设尺寸后再传输至所述声光偏转模块。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块进一步包括线偏振片，所述线偏振片设置在光束进入所述声光偏转模块之前的光路上，被配置为将光束在进入所述声光偏转模块之前转换为具有预设偏振态的线偏振光。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块进一步包括偏振分束器、偏振方向调节件及导光件，所述偏振分束器设置在光束进入所述声光偏转模块之前的光路上，所述偏振分束器将经过的光束分解为第一偏振光束和第二偏振光束，所述第一偏振光束具有第一偏振方向，所述第二偏振光束具有与所述第一偏振方向不同的第二偏振方向，所述导光件被配置为引导所述第一偏振光束或所述第二偏振光束的传播方向或者既引导所述第一偏振光束又引导所述第二偏振光束的传播方向，以使得所述第一偏振光束和所述第二偏振光束分别沿不同光路入射至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件被配置为改变所述第一偏振光束或所述第二偏振光束的偏振方向，使得两者以相同的预设偏振方向进入所述声光偏转模块。
可选地，在一些实施例中，分解后的所述第一偏振光束和所述第二偏振光束分别到达所述声光偏转模块的时刻具有预设的时间差。
可选地，在一些实施例中，所述第一偏振光束沿光束入射所述偏振分束器时入射方向所在的主光轴透过所述偏振分束器传播至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件设置在所述主光轴上，被配置为将所述第一偏振光束的第一偏振方向改变为所述第二偏振方向。
可选地，在一些实施例中，所述第二偏振光束经所述偏振分束器后沿偏离光束入射所述偏振分束器时入射方向所在的主光轴的旁支光路传播至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件设置在所述旁支光路上，被配置为将所述第二偏振光束的第二偏振方向改变为所述第一偏振方向。
可选地，在一些实施例中，所述偏振方向调节件包括液晶层，被配置为通过调节所述液晶层内液晶分子的朝向以改变经过光束的偏振方向。
可选地，在一些实施例中，所述第二偏振光束经所述导光件引导后沿平行于所述第一偏振光束的方向进入所述声光偏转模块，所述第一偏振光束和第二偏振光束各自在所述声光偏转模块上的入射点均位于所述声光偏转模块上预设的入射区域内。
本申请的实施例还提供一种测距装置，其被配置为对位于预设检测范围内的物体进行三维信息检测，包括如上所述的声光偏转模组，还包括接收模组及处理电路。所述测距装置还包括接收模组及处理模块，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，所述处理模块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，其包括所述测距装置。所述电子设备根据测距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(VirtualReality，VR)、即时定位和地图构建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)、物体接近判断等领域，本申请对此不作限定。
所述测距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与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测距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测距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测距装置的功能模块示意图。
参照图1和图2，所述电子设备1包括测距装置10。所述测距装置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测距装置10能够有效地进行三维信息检测的立体空间范围，也可以称之为测距装置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被配置为根据所述测距装置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可为所述电子设备1和/或测距装置10在运行过程中的存储需求提供支持。所述电子设备1还可以包括处理器40，可以为电子设备1和/或测距装置10在运行过程中的数据处理需求提供支持。
可选地，在一些实施例中，所述测距装置10例如可以为基于直接飞行时间(directTime 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，所述测距装置10也可以为间接飞行时间(indirectTime of Flight，iToF)测量原理进行三维信息感测的iToF测量装置。所述iToF测量装置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，主要以所述测距装置10为dToF测量装置为例进行说明。
可选地，如图2所示，所述测距装置10包括声光偏转模组12、接收模组14和处理电路15。所述声光偏转模组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可以设置在所述测距装置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。所述声光偏转模组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、900nm-1600nm。
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。所述测距装置10在检测过程中通过声光偏转模组12发出多次感测光束，计时单元152在声光偏转模组12每次发射感测光束时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，形成对应的光信号计数。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。例如，TDC1522在每次发射感测光束时被同步触发开始计时，后续响应对应感光像素142生成的光感应信号停止计时，并将计时的时间段作为激发光感应信号的对应光信号的接收时间。
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感测到的光信号的数量随时间分布的统计直方图。其中，如图3所示，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(见图2)，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感测光束的过程中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百次、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、测距装置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与测距装置10之间的三维信息，例如：在检测范围内的物体2与所述测距装置10之间的距离。
应理解的是，所述声光偏转模组12与接收模组14并排相邻设置，所述声光偏转模组12的出光面与所述接收模组14的入光面均朝向测距装置10的同一侧，所述声光偏转模组12与接收模组14的间距范围例如可以为2毫米(mm)至20mm。由于所述声光偏转模组12与接收模组14之间靠得比较近，所述感测光束从声光偏转模组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，但两者均远大于声光偏转模组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与测距装置10之间的距离。
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(图未示)。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。所述测距装置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2所示，在一些实施例，所述声光偏转模组12包括光源模块122、声光偏转模块124及次级偏转模块126。所述光源模块122被配置为发出光束，所述声光偏转模块124被配置为根据所施加的声波频率在预设的第一偏转角度范围内沿第一方向将所述光源模块122发出的光束偏转多个不同的预设偏转角度，所述次级偏转模块126被配置为对经所述声光偏转模块124偏转的光束在预设的第二偏转角度范围/>内沿所述第一方向进一步偏转预设角度，以对应不同偏转角度分别形成出射方向不同的感测光束。应理解的是，此处的第一方向指的是光束的偏转方向，不同于光束的发射方向，光束偏转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。
如图4所示，在一些实施例中，所述光源模块122包括一个或更多个发光单元1220和柱面准直透镜1222。所述发光单元1220被配置为发出光束，所述柱面准直透镜1222设置在发光单元1220的出光侧，被配置为对所述发光单元1220发出的光束进行准直。所述柱面准直透镜1222包括沿光束传播方向依次设置的入光面1222a和出光面1222b，所述出光面1222b为用于光束准直的光学曲面，所述出光面1222b在柱面准直透镜1222垂直于第一方向的横截面上为曲线，所述第二方向与所述第一方向相互垂直设置，例如：所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向；或者，所述第一方向为竖直方向，所述第二方向为水平方向。可选地，在一些实施例中，所述出光面1222b在柱面准直透镜1222垂直于第二方向的横截面上为直线。
可选地，所述发光单元1220可以为垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting 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(Edge Emitting Laser，EEL)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、激光二极管(Laser Diode，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，所述光源模块122被配置为发出条形光束，所述条形光束可理解为光束的形状沿某一预设方向的尺寸明显大于其他方向的尺寸，为了描述方便可定义具有最大尺寸的方向为所述条形光束的长度方向。例如，所述条形光束的形状可以为细长方形，即条形光束照射在投影面上的光斑形状为细长方形，所述细长方形具有一对长边和一对短边，所述长边的延展方向即为条形光束的长度方向。应理解的是，所述条形光束的形状并不限于细长方形，例如也可以是两端为圆弧状的长条形。若所述声光偏转模块124沿所述第一方向偏转经过的光束，则所述光源模块122发出的条形光束的长度方向平行于第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直设置。可选地，在一些实施例中，所述光源模块122上的多个发光单元1220可以排布成长条形阵列，各自发出的光束经柱面准直透镜1222形成沿光轴准直传播的条形光束。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块122还可以包括缩束光学器件1223，可用于缩窄光束的横截面尺寸，亦即光束在与光束传播方向垂直的横截面上的尺寸。所述缩束光学器件1223可以设置在光束进入声光偏转模块124之前的光路中，被配置为将经柱面准直透镜1222准直后的光束先缩小至预设尺寸后再传输至声光偏转模块124。由于声光偏转模块124用于接收光束的入射区域具有一定的尺寸，为了使得入射至声光偏转模块124的光束都能从入射区域进入，需要在光束传输至声光偏转模块124之前将其调制至与入射区域匹配的尺寸。应理解的是，在其他实施例中，若发光单元1220发出的光束经准直后的尺寸已满足入射声光偏转模块124的要求，则缩束光学器件1223也可以省略。
可选地，在一些实施例中，所述光源模块122还可以包括线偏振片1221。所述线偏振片1221设置在光束进入声光偏转模块124之前的光路上，被配置为将光束在进入声光偏转模块124之前转换为具有预设偏振态的线偏振光。应理解的是，在其他实施例中，若其他光学元件在光束传输至声光偏转模块124之前可以将光束转换为预设偏转态的线偏振光，则所述线偏振片1221也可以省略。
在图4的实施例中，所述缩束光学器件1223设置在柱面准直透镜1222与线偏振片1221之间。可选地，在其他实施例中，所述缩束光学器件1223与线偏振片在光路上的排列顺序可相互调换，只需满足两者均设置在光束进入声光偏转模块124之前的光路中即可，本申请对此不做具体限制。
可选地，在一些实施例中，如图5和图6所示，所述光源模块122还可以包括偏振分束器1224、偏振方向调节件1226及导光件1228。所述偏振分束器1224设置在光束进入所述声光偏转模块124之前的光路上，将经过的光束分解为第一偏振光束和第二偏振光束，所述第一偏振光束具有第一偏振方向，所述第二偏振光束具有第二偏振方向。所述第二偏振方向不同于第一偏振方向，例如：所述第一偏振方向与第二偏振方向相互正交。所述导光件1228被配置为引导第一偏振光束或第二偏振光束的传播方向或者既引导第一偏振光束又引导第二偏振光束的传播方向，以使得第一偏振光束和第二偏振光束分别沿不同光路入射至声光偏转模块124。所述偏振方向调节件1226被配置为改变第一偏振光束或第二偏振光束的偏振方向，使得两者以相同的预设偏振方向进入声光偏转模块124。
具体地，例如，所述偏振分束器1224可以为两块方解石直角棱镜沿斜面相对组合而成的起偏棱镜，比如：格兰-傅科(Glan-Foucault)棱镜，所述第一偏振光束沿光束入射偏振分束器1224时入射方向所在的主光轴透过偏振分束器1224的组合分界传播至声光偏转模块124，所述第二偏振光束具有第二偏振方向且经所述导光件1228引导沿偏离主光轴的旁支光路传播至所述声光偏转模块124。应说明的是，此处的主光轴指的是声光偏转模组12中的不同光学器件沿各自光轴相互对齐的方向，可以理解为发光单元1220所发出光束经准直后依次经过各光学器件仍一直未改变的传播方向，比如：光束经过所述声光偏转模块124后的零级光束所在的方向。
应理解的是，在其他一些实施例中，光束经所述偏振分束器1224分解得到的第一偏振光束和第二偏振光束也可以均不沿光束入射方向所在的主光轴传播，而是经所述导光件1228引导后分别沿不同光路传播至声光偏转模块124。
可选地，所述偏振方向调节件1226包括一液晶层，可通过调节所述液晶层内液晶分子的朝向来改变经过光束的偏振方向。如图5所示，所述偏振方向调节件1226可设置在沿光束入射至偏振分束器1224的方向所在的主光轴上，被配置为将所述第一偏振光束的第一偏振方向改变为第二偏振方向。可选地，如图6所示，所述偏振方向调节件1226也可以设置在所述旁支光路上，被配置为将所述第二偏振光束的第二偏振方向改变为第一偏振方向。
如图5所示，所述导光件1228例如为多个反射光学元件，通过多次反射将第二偏振光束引导为沿平行于所述第一偏振光束的方向进入所述声光偏转模块124。可选地，在其他一些实施例中，所述导光件1228也可以为光纤。
可选地，通过合理设置第一偏振光束在主光轴上经过的第一光程和第二偏振光束在旁支光路上经过的第二光程，可以使得分解后的所述第一偏振光束和所述第二偏振光束分别到达所述声光偏转模块124的时刻具有预设的时间差。由对应发光单元1220发出的同一光束分解得到的所述第一偏振光束和第二偏振光束分别到达声光偏转模块124的时间差可以等于声光偏转模组12周期性发射感测光束脉冲的发射周期，即相继发出两个感测光束脉冲之间的时间间隔。由此，由对应发光单元1220发出一次光束就可以获得声光偏转模组12发出两个感测光束脉冲。
应理解的是，通过在声光偏转模组12的光路中设置偏振分束器1224和对应的偏振方向调节件1226及导光件1228，不仅可以使得发光单元1220发出的光束满足入射声光偏转模块124的偏振状态要求，而且分离出来的第二偏振光束也能够充分利用来进行检测，提高了声光偏转模组12发光功率的利用效率。
如图7所示，在一些实施例中，所述声光偏转模块124包括声光相互作用介质1241和声波发生器1242。所述声光相互作用介质1241具有预设的入光面1244、出光面1246及声波入射面1248。所述声波发生器1242设置在所述声波入射面1248上，被配置为在所述声光相互作用介质1241内产生沿预设方向传播的声波。所述光源模块122发出的光束沿预设的入射角从所述入光面1244进入声光相互作用介质1241内，声光相互作用介质1241在声波的作用下偏转经过光束的传播方向，偏转后的光束从所述出光面1246射出。
所述入射角可定义为光束的入射方向与入光面1244的法线方向之间的夹角。可选地，在一些实施例中，所述声光相互作用介质1241的材料为二氧化碲()，所述入射角的取值范围为2-10度，所述声波在二氧化碲晶体内的传播方向与二氧化碲晶体的晶格方向[1，1，0]之间存在预设的离轴角/>(图未示)。
可选地，在一些实施例中，所述声波发生器1242可以为压电换能器，所述压电换能器产生超声波进入所述声光相互作用介质1241内传播，以偏转沿预设入射角经过声光相互作用介质1241的光束的传播方向。
应理解的是，声波在声光相互作用介质1241内的传播会引起声光相互作用介质1241内部的折射率发生变化，通过合理配置参数可使得入射光束在声波作用下的声光相互作用介质1241内发生反常布拉格衍射，所形成的衍射光束的传播方向相较于入射光束的传播方向发生偏转，偏转角与声波的频率/>成关系式：/>，其中，/>为衍射光束的出射角度，代表衍射光束的传播方向，/>为入射光束的入射角，代表入射光束的传播方向，/>为入射光束和衍射光束的波长，/>表示声光相互作用介质1241的折射率，/>为与所述离轴角/>相关的函数值，记作/>，上述合理配置的参数包括入射光束的波长、偏振态、入射角、传播方向，声波的频率、传播方向等。由此，通过改变施加至声光相互作用介质1241上的声波的频率可以控制经过声光相互作用介质1241的光束的偏转角度，当声波的频率变化为/>时，光束的偏转角度发生相应的变化，即扫描角为/>。
需要说明的是，上述的偏转角和扫描角/>均指声光相互作用介质1241内的角度，实际应用时使用的是声光相互作用介质1241外的角度，由折射定律可知，声光相互作用介质1241外的角度需要乘以相应的折射率因子。此外，由于声波传播需要时间，在声波的频率从/>刚开始改变为/>时，声光相互作用介质1241只有在紧挨着声波发生器1242的局部内的声波频率从/>切换到/>，光束的偏转角从/>变成/>，在声光相互作用介质1241内其余部分的声波频率和光束的偏转角都还没来得及发生变化，若声波传播过声光相互作用介质1241内光束经过的全部区域，亦即声光相互作用介质1241的宽度，所需要的时间称为声波渡越时间，则经过渡越时间后整个声光相互作用介质1241中的声波频率均从/>变为/>，光束的偏转角完全转变为/>，因而在调整声波频率来改变光束偏转角时，光束完成一次偏转所需要的偏转时间/>可认为等于声波的渡越时间，偏转时间/>的计算满足下列关系式：/>，其中，/>为声光相互作用介质1241的宽度，/>为与所述离轴角/>相关的函数值，记作/>。
所述声光相互作用介质1241内的衍射光束、入射光束与声波彼此间的波矢量需要满足动量匹配条件才能在声光相互作用介质1241内形成稳定相干的衍射光束，产生反常布拉格衍射的光束入射角会随着声波频率的变化而变化，然而实际应用中声光相互作用介质1241的光束入射角是维持不变的，随着声波频率的变化，动量匹配条件不再成立，偏离动量匹配条件越远，衍射效率下降得越多，能够有效地完成反常布拉格衍射的声波频率范围称为布拉格带宽。可选地，在一些实施例中，所述感测光束的波长为905nm，所述声光相互作用介质1241的材料为二氧化碲晶体，对应形成的所述声光偏转模块124的布拉格带宽约为30兆赫兹(MHz)，扫描角约为40毫弧度(mrad)，即约为2.3度，完成一次光束偏转所需的偏转时间约为10微秒(/>)，声波频率的变化精度约为30千赫兹(KHz)，相应的扫描角的变化精度约为0.04mrad。利用反常布拉格衍射在二氧化碲晶体内实现声光偏转需要入射光束具有右旋e光分量，可选地，若入射光束为线偏振e光，则经声光偏转后射出的衍射光束为线偏振o光；若入射光束为右旋圆偏振光，则经声光偏转后射出的衍射光束为左旋圆偏振光。出射的衍射光束的利用率由入射光束的本征模右旋e光的椭圆度决定，而本征模右旋e光的椭圆度由入射光的波长、入射角以及声光相互作用介质1241的材料特性决定。
所述声光偏转模块124能够对经过光束进行高精度的偏转，但偏转光束的角度范围太小，因此可以在声光偏转模块124的出光侧设置次级偏转模块126对经声光偏转模块124偏转后的光束沿所述第一方向进一步偏转，以满足大角度高精度扫描的需求。应理解的是，所述次级偏转模块126偏转光束的角度范围较大，至少能够满足大角度扫描场景的应用需求。
如图4-图6所示，在一些实施例中，所述次级偏转模块126可以为一液晶偏振光栅(Liquid Crystal Polarization Grating，LCPG)模块。所述LCPG模块126设置在声光偏转模块124的出光侧，被配置为对经所述声光偏转模块124偏转的光束分别在多个时刻进一步偏转对应的不同预设偏转角度以形成不同发射方向的感测光束。所述光源模块122发出的条形光束的长度方向为所述第二方向，所述声光偏转模块124沿第一方向偏转所述条形光束，所述LCPG模块126将经声光偏转模块124偏转的条形光束沿第一方向进一步在更大的第二偏转角度范围内对应偏转多个不同的预设偏转角度，以形成条形的感测光束。应理解的是，LCPG模块126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，声光偏转模块124对光束的第一偏转角度范围/>大于或等于所述角度间隔。由此，声光偏转模块124可以在LCPG模块126的每个光束偏转角度的基础上，以较高偏转精度左右细调光束的偏转角度，这种光束偏转角度的细调可以覆盖LCPG模块126每两个相邻的光束偏转角度之间的角度间隔，从而能够在更大的第二偏转角度范围/>内以声光偏转模块124较高的偏转精度偏转光束进行扫描。
如图8所示，所述LCPG模块126包括至少一个液晶偏振光栅(Liquid CrystalPolarization Grating，LCPG)片1261。所述LCPG片1261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LCPG模块126通过改变LCPG片1261的衍射状态和/或光束入射至LCPG片1261时的偏振状态来对应控制LCPG片1261对经过光束的偏转角度。可选地，所述LCPG模块126可以通过施加电压改变所述LCPG片1261中的液晶取向来对应改变LCPG片1261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1261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1261的相位延迟量，使得经过LCPG片1261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1261的光栅周期决定:/>，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。
可选地，所述LCPG模块126还可以包括液晶半波片1262来控制入射至LCPG片1261的光束的偏振态，通过调节液晶半波片1262改变光束入射至LCPG片1261时的偏振态以及通过在LCPG片1261上施加电压改变LCPG片1261的衍射状态，可以将经过LCPG片1261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。所述LCPG模块126的液晶半波片1262和LCPG片1261可以多个级联使用，通过将多个不同光栅周期的LCPG片1261组合级联并控制施加在液晶半波片1262和LCPG片1261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。
可选地，如图9所示，在一些实施例中，所述LCPG模块126的多个液晶半波片1262和LCPG片1261可采用二值式的级联方式。所述LCPG模块126包括沿光束的发出方向依次设置的多个LCPG单元1260，每个LCPG单元1260包括一个液晶半波片1262和一个LCPG片1261，所述LCPG片1261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1260的序号减一。对应地，所述LCPG模块126对经过光束的偏转角度为其中LCPG片1261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1260的序号次方减一。
具体而言，若所述LCPG模块126包括M个LCPG单元1260，每个LCPG单元1260包括一个液晶半波片1262和一个LCPG片1261。M个LCPG单元1260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，最靠近入光侧的第一个LCPG单元1260对经过光束的偏转角度最小，而最靠近出光侧的最后一个LCPG单元1260对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG单元1260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1260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1260的整个LCPG模块126可以将经过的光束偏转的角度为/>，可见所LCPG模块126能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG单元1260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LCPG模块126所包括的LCPG单元1260的个数。相邻级次偏转级别之间的角度间隔为r，亦即所述LCPG模块126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1260级联的所述LCPG模块126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：/> ，/> ，其中，r为M个LCPG单元1260中对经过光束的最小偏转角度，M为所述LCPG模块126中LCPG单元1260的总个数。
应理解的是，根据LCPG片1261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1261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，以将发出的光束的偏振态调整为对应的圆偏振光。
可选地，如图10所示，在一些实施例中，所述LCPG模块126的液晶半波片1262和多个LCPG片1261可采用类二值式的级联方式。所述LCPG模块126包括沿光束的出射方向依次设置的一个液晶半波片1262和多个LCPG片1261，所述LCPG片1261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1261与相邻的前一个LCPG片1261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1261的序号减一。对应地，所述LCPG模块126对经过光束的偏转角度为其中的LCPG片1261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1261序号的次方再减一。
具体而言，类二值式级联的所述LCPG模块126包括一个液晶半波片1262和M个LCPG片1261。所述液晶半波片1262沿光束的出射方向排在M个LCPG片1261的前方，M个LCPG片1261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，最靠近入光侧的第一个LCPG片1261对经过光束的偏转角度最小，而最靠近出光侧的最后一个LCPG片1261对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG片1261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1261对经过光束的偏转角度分别为： 。其中的一个LCPG片1261与相邻的前一个LCPG片1261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1261的序号减一。对应地，包括M个LCPG片1261的整个LCPG模块126可以将经过光束偏转的角度为/>，可见所述LCPG模块126能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG片1261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LCPG模块126所包括的LCPG片1261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LCPG模块126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1261级联的所述LCPG模块126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： ，/> ，其中，r为M个LCPG片1261中对经过光束的最小偏转角度，M为所述LCPG模块126中LCPG片1261的总个数。
相较于二值式级联的LCPG单元1260，采用类二值式级联的液晶半波片1262和LCPG片1261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1262数量，具有更高的光束透过率。
可选地，如图11所示，在一些实施例中，所述LCPG模块126的液晶半波片1262和LCPG片1261可采用三值式的级联方式。所述LCPG模块126包括沿光束的出射方向依次设置的多个LCPG单元1260，每个LCPG单元1260包括一个液晶半波片1262和一个LCPG片1261，所述LCPG片1261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1260的序号减一。对应地，所述LCPG模块126对经过光束的偏转角度为其中的LCPG片1261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1260的序号次方减一。
具体而言，若所述LCPG模块126包括M个LCPG单元1260，每个LCPG单元1260包括一个液晶半波片1262和一个LCPG片1261。M个LCPG单元1260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，最靠近入光侧的第一个LCPG单元1260对经过光束的偏转角度最小，而最靠近出光侧的最后一个LCPG单元1260对经过光束的偏转角度最大，假设所述第一个LCPG单元1260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1260对经过光束的偏转角度分别为 。对应地，包括M个LCPG单元1260的整个LCPG模块126可以将经过的光束偏转的角度为/>，可见所述LCPG模块126能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG单元1260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LCPG模块126所包括的LCPG单元1260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LCPG模块126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1260级联的所述LCPG模块126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：/>，/>，其中，r为M个LCPG单元1260中对经过光束的最小偏转角度，M为所述LCPG模块126中LCPG单元1260的总个数。
相较于二值式级联的LCPG单元1260，采用三值式级联的LCPG单元1260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，由此三值式级联的LCPG单元1260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1261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1261。可选地，在其他一些实施例中，所述LCPG片1261也可以为不设置电极的被动式LCPG片1261。由于所述被动式LCPG片1261一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1261对经过光束的正一级衍射和负一级衍射。经过被动式LCPG片1261的光束的偏振态可以通过在被动式LCPG片1261入光侧搭配一个液晶半波片1262来进行调节。
可选地，如图12所示，在一些实施例中，所述LCPG模块126包括M个被动式LCPG单元1260，每个被动式LCPG单元1260包括一个液晶半波片1262和一个被动式LCPG片1261。所述M个被动式LCPG单元1260采用二值式级联，M个被动式LCPG单元1260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，最靠近入光侧的第一个被动式LCPG单元1260对经过光束的偏转角度最小，而最靠近出光侧的最后一个被动式LCPG单元1260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1260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1260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1260的整个LCPG模块126可以将经过光束偏转的角度为， 可见所述LCPG模块126能够提供的光束偏转角度为其中单个LCPG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LCPG模块126所包括的被动式LCPG单元1260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LCPG模块126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1260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：/>，/>，其中，r为M个被动式LCPG单元1260中对经过光束的最小偏转角度，M为所述LCPG模块126中被动式LCPG单元1260的总个数。
相较于上述的主动式LCPG单元1260，被动式LCPG单元1260在使用过程中不需要调整电压去改变被动式LCPG片1261的液晶状态，只需要对应改变施加给液晶半波片1262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1261内的液晶分子材料能够正常工作，需要控制所述LCPG模块126的温度，使其处于一定的温度范围内。可选地，在一些实施例中，如图13所示，所述LCPG模块126还可以包括温度控制单元1263，所述温度控制单元1263被配置将所述LCPG单元1260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°C，处于低温环境时，所述温度控制单元1263对LCPG单元1260进行升温；处于高温环境时，所述温度控制单元1263对LCPG单元1260进行降温。
将多个LCPG单元1260进行级联时还可以考虑LCPG片1261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1261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1261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1261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1261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，若相邻两个LCPG片1261的光栅矢量方向相同，当一束圆偏振光束经过这两个LCPG片1261时，由于LCPG片1261会改变经过光束的偏振态，后一个LCPG片1261对经过光束的偏转方向会与前一个LCPG片1261对光束的偏转方向相反，光束经过两个LCPG片1261后的总偏转角度为两个LCPG片1261各自偏转角度的差值；若两个LCPG片1261的光栅矢量方向相反，圆偏振光经过这两个LCPG片1261时，后一个LCPG片1261对光束的偏转方向与前一个LCPG片1261对光束的偏转方向相同，光束经过两个LCPG片1261后的总偏转角度为两个LCPG片1261各自偏转角度之和。由此，当多个LCPG片1261级联时也可以通过设置其中各个LCPG片1261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1261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1261的光栅矢量方向取决于LCPG片1261中液晶分子的排列方向。
如图4-图6所示，在一些实施例中，所述声光偏转模组12还可以包括光束调节件123。所述光束调节件123可设置在声光偏转模块124与LCPG模块126之间，被配置为对进入LCPG模块126前的光束进行调节。
可选地，所述光束调节件123可以包括会聚光学器件，用于对经声光偏转模块124偏转后的光束进行会聚。所述会聚光学器件例如可以为单个会聚透镜或多个会聚透镜组成的透镜组合。对于经声光偏转后光束发散角较大的情况，需要在光束进入LCPG模块126之前通过所述会聚光学器件先将光束发散角适当缩小，以提高所形成的感测光束的指向性。应理解的是，在一些实施例中，若经声光偏转模块124偏转后的光束的发散角较小，所述会聚光学器件也可以省略。
由于所述声光偏转模块124和LCPG模块126都沿第一方向偏转光束，所以只能实现光束对检测范围的一维扫描。为了实现感测光束对检测范围的二维扫描，如图14所示，在一些实施例中，所述声光偏转模组12还包括光束扩展模块129。所述光束扩展模块129设置在LCPG模块126的出光侧，即LCPG模块126背向声光偏转模块124的一侧，或者说所述LCPG模块126位于声光偏转模块124与所述光束扩展模块129之间的位置。所述光束扩展模块129被配置为将光束沿第二方向的发散角进行扩展以形成长条形感测光束，定义感测光束具有最大尺寸的方向为其长度方向，所述长条形感测光束的长度方向平行于所述第二方向，所述第二方向与所第一方向相互垂直设置。
可选地，请一并参阅图15-图18，所述光束扩展模块129可包括柱面扩束透镜1290。所述柱面扩束透镜1290包括沿光束扩展方向弯曲的光学表面，以对经过所述柱面扩束透镜1290的光束沿光束扩展方向进行弯折。在一些实施例中，所述光束扩展方向为竖直方向，即上述坐标系中的Z轴方向。应理解的是，所述光学表面沿光束扩展方向的弯曲情况可以通过该光学表面上沿光束扩展方向依次排布的各点沿预设方向的曲率和/或斜率的变化情况进行描述。
如图15和图16，在一些实施例中，所述柱面扩束透镜1290可以为平凹柱面透镜。以所述光束扫描方向为X轴，所述光束扩展方向为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，可以据此对所述平凹柱面透镜的形状进行描述。所述平凹柱面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1292和出光面1294。所述入光面1292和出光面1294中的至少一个为沿所述光束扩展方向弯曲的光学表面。可选地，所述入光面1292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，可作为所述柱面扩束透镜1290弯折所经过光束的光学曲面。可选地，在一些实施例中，所述入光面1292沿所述光束扩展方向所在的Z轴具有变化的曲率。亦即，所述入光面1292上各点的曲率随该点在光束扩展方向所在的Z轴上的坐标的变化而变化，如图16所示，所述入光面1292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1295，该点的曲率指的是在所述曲面截线1295上沿该点切线方向的曲率。应理解的是，形成所述曲面截线1295的横截面也可以是垂直于所述光束扫描方向的平面。
可选地，在一些实施例中，所述入光面1292沿水平方向保持平直，所述入光面1292与平行于水平方向所在的X轴的平面之间的相交线为直线，亦即所述入光面1292上沿水平方向所在的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1292与平行于水平方向所在的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1294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1294也可以为非平面，或者所述出光面1294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17和图18所示，在一些实施例中，所述柱面扩束透镜1290可以为平凸柱面透镜。以所述光束扫描方向为X轴，所述光束扩展方向为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，可以据此对所述平凸柱面透镜的形状进行描述。所述平凸柱面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1292和出光面1294。所述入光面1292和出光面1294中的至少一个为沿光束扩展方向弯曲的光学曲面。可选地，所述入光面1292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，可作为所述柱面扩束透镜1290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1292沿光束扩展方向所在的Z轴具有变化的曲率。亦即，所述入光面1292上各点的曲率随该点在光束扩展方向所在的Z轴上的坐标的变化而变化，如图17所示，所述入光面1292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1295，该点的曲率指的是在所述曲面截线1295上沿该点切线方向的曲率。应理解的是，形成所述曲面截线1295的横截面也可以指的是垂直于光束扫描方向的平面。
可选地，在一些实施例中，所述入光面1292沿水平方向保持平直，所述入光面1292与平行于水平方向(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1292上沿水平方向(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1292与平行于水平方向(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1294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1294也可以为非平面，或者所述出光面1294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16和图18所示，可选地，所述柱面扩束透镜1290的光轴沿零级感测光束发出方向(亦即Z轴方向)设置，所述零级感测光束位于所述声光偏转模块124偏转光束的角度范围的中间位置。由于所述声光偏转模块124仅沿第一方向偏转光束，经所述声光偏转模块124偏转的光束从垂直于第一方向的角度看位于检测范围的中间位置，所述光束经柱面扩束透镜1290扩展后沿光束扩展方向的发散角关于所述柱面扩束透镜1290的光轴对称分布，若所述光束经柱面扩束透镜1290扩展后沿光束扩展方向的发散角为，则光束经柱面扩束透镜1290弯折后相较于光轴的最大偏离角度为/>，/>满足关系式：/>，其中，D为光束的直径大小，f为柱面扩束透镜1290的焦距。例如，若经所述扩束透镜1290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，所述柱面扩束透镜1290的入光面1292沿光束扩展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、经所述柱面扩束透镜1290扩展后的感测光束发散角、所述柱面扩束透镜1290的材料折射率以及所述柱面扩束透镜1290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。
可选地，在其他一些实施例中，所述柱面扩束透镜1290的入光面1292沿光束扩展方向所在的Z轴的弯曲变化情况也可以通过入光面1292上沿光束扩展方向分布的各点的斜率变化情况进行描述。如图16所示，以光束扩展方向所在的Z轴和零级光束的发出方向所在的Y轴定义YOZ平面，在所述柱面扩束透镜1290通过YOZ平面形成的横截面内，所述柱面扩束透镜1290的入光面1292对应形成一个第一曲面截线1295，该第一曲面截线1295上各点的斜率根据该点的Y轴坐标变化。亦即，以所述柱面扩束透镜1290在垂直于光束扫描方向的横截面内，所述入光面1292对应形成的第一曲面截线1295上各点的斜率随该点在光束扩展方向所在的Y轴上的位置而变化。以所述柱面扩束透镜1290为平凹柱面透镜为例，所述入光面1292为朝向零级光束发出方向凹进去的内凹曲面，所述入光面1292对应形成的第一曲面截线1295上沿光束扩展方向所在的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1292上各点的斜率随着该点在光束扩展方向所在的Z轴上的位置而变化。如图18所示，以所述柱面扩束透镜1290为平凸柱面透镜为例，所述入光面1292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1292对应形成的第一曲面截线1295上沿光束扩展方向所在的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1292上各点的斜率随着该点在光束扩展方向所在的Y轴上的位置而变化。
如图19所示，在一些实施例中，所述光束扩展模块129包括准直透镜1291、柱面扩束透镜1290及发射透镜1293，所述准直透镜1291、柱面扩束透镜1290及发射透镜1293沿零级光束的发出方向依次设置。可选地，所述准直透镜1291的光轴、柱面扩束透镜1290的光轴及发射透镜1293的光轴沿同一直线设置以构成所述光束扩展模块129的光轴。所述光束扩展模块129的光轴与所述声光偏转模块124的零级光束的发出方向相互对齐。其中，所述零级光束指的是在声光偏转模块124的光束偏转角度范围内位于中间角度位置的光束。应理解的是，所述零级光束发出方向也是所述声光偏转模块124的光轴所在的直线方向。
所述准直透镜1291被配置为将经所述声光偏转模块124偏转后发出的光束沿平行于所述柱面扩束透镜1290光轴的方向准直。可选地，在一些实施例中，所述准直透镜1291为薄凸透镜。
所述柱面扩束透镜1290被配置为将经过所述准直透镜1291准直后的光束的发散角沿预设的第二方向进行扩展。所述柱面扩束透镜1290包括沿光束扩展方向弯曲的光学表面，以对经过所述柱面扩束透镜1290的光束沿光束扩展方向进行弯折。可选地，在一些实施例中，所述柱面扩束透镜1290可以为柱面透镜，比如：如上所述的图15和图16中的平凹柱面透镜或者图17和图18中的平凸柱面透镜，此处不再赘述。所述平凹柱面透镜和平凸柱面透镜沿光束扫描方向所在的X轴保持平直，但由于所述准直透镜1291已将光束沿光轴方向准直，经准直后的光束入射方向垂直于所述平凹柱面透镜和平凸柱面透镜保持平直的光束扫描方向。由此，经准直后的光束透过所述平凹柱面透镜或平凸柱面透镜扩束后不会发生畸变。
所述发射透镜1293被配置为将经所述柱面扩束透镜1290扩展发散角的光束沿该光束原先从声光偏转模块124发出的方向发射出去作为所述测距装置10的感测光束。由于经所述准直透镜1291准直后光束沿平行于光轴方向或零级光束发出方向所在的Y轴入射至所述柱面扩束透镜1290，而所述柱面扩束透镜1290沿光束扫描方向所在的X轴保持平直，平行于光轴入射的光束经所述柱面扩束透镜1290扩束后仅沿光束扩展方向扩展而在由光束扫描方向与零级光束发出方向定义的XOY平面上的投影仍保持相互平行的关系。这种情况下扩束后的光束虽然不会发生畸变但却无法反映经所述声光偏转模块124偏转后的发射角度，由此可以通过所述发射透镜1293将经扩束后的光束偏转回去原先从所述声光偏转模块124发出的方向。可选地，在一些实施例中，所述发射透镜1293为薄凹透镜。
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：准直透镜1291、柱面扩束透镜1290及发射透镜1293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。
由此可见，通过先将经声光偏转模块124偏转朝不同方向的光束进行准直后再利用柱面扩束透镜1290扩束可以减少从不同角度透过平凹柱面透镜或平凸柱面透镜造成的光束畸变。
为了方便描述所述长条形感测光束的扫描方式，如图14所示，以经声光偏转模块124和LCPG模块126后未偏转的零级光束的传播方向为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，则水平面为XOY平面，竖直平面为YOZ平面。在图14的实施例中，所述第一方向为水平方向，即所述声光偏转模组12发出的长条形感测光束沿X轴所在的水平方向偏转，所述第二方向为竖直方向，即经光束扩展模块129扩展发散角形成的长条形感测光束的长度方向平行于Z轴所在的竖直方向。所述长条形感测光束在声光偏转模块124和LCPG模块126作用下沿X轴偏转的过程可以实现在水平方向和竖直方向上的二维扫描。应理解的是，上述坐标系也可以建立在图4-图6中以方便对光束在光路中的传播情况进行描述。
应理解的是，在其他一些实施例中，所述第一方向也可以为竖直方向，所述第二方向也可以为水平方向。亦即，所述声光偏转模组12发出的长条形感测光束沿Z轴所在的竖直方向偏转，经光束扩展模块129扩展发散角形成的长条形感测光束的长度方向平行于Y轴所在的水平方向，所述长条形感测光束在声光偏转模块124和LCPG模块126作用下沿Z轴偏转的过程中可以实现在竖直方向和水平方向上的二维扫描。
如图2所示，所述测距装置10还包括控制电路18，所述控制电路18被配置为控制声光偏转模组12发出感测光束对检测范围进行扫描，以及控制接收模组14配合感测光束的扫描对检测范围返回的光束进行感测。可选地，在一些实施例中，所述控制电路18可以包括光源控制单元182、声光偏转控制单元184、LCPG控制单元186和感测控制单元188。
所述光源控制单元182被配置为控制发光单元1220按照预设频率周期性发出感测光束脉冲。如前所述，为了使得dToF测量使用的时间相关单光子计数方法具有数学上的统计意义，光源控制单元182控制对应的发光单元1220在一个检测帧内按照预设频率发射多个感测光束脉冲，比如：几十个、几百个、几千个、几万个、甚至上百万个，相邻两个感测光束脉冲发出时刻之间的时间段可定义为所述感测光束脉冲的一个发射时段。
所述感测控制单元188被配置为控制感光像素142在与相关发光单元1220的发射时段对应的感测时段执行感测，以响应来自检测范围返回的光信号进行计数。由于发光单元1220按照预设频率周期性发射感测光束脉冲，对应的感光像素142在感测控制单元188的控制下按照与发射时段相同的预设频率周期性地执行感测。可选地，感测控制单元188也可以控制其中的部分感光像素142配合接收光学器件144对应感测从预设的不同方位返回的光信号。
所述LCPG控制单元186被配置为控制LCPG模块126在第二偏转角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LCPG控制单元186通过调整对LCPG模块126中对应的LCPG单元1260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1260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LCPG控制单元186可以根据LCPG模块126采用的LCPG单元1260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。
所述声光偏转控制单元184被配置为控制声光偏转模块124在对应的第一偏转角度范围内将经过的光束偏转预设的偏转角度。如前所述，所述声光偏转控制单元184可以通过调整施加至声光相互作用介质1241上的声波频率来控制声光偏转模块124对经过光束的偏转角度。所述声光偏转模块124改变一次光束偏转角度所需的偏转时间/>约为10微秒。应理解的是，对于每一个光束偏转角度，所述声光偏转模组12都需要发出多个感测光束脉冲以检测该光束偏转角度所照射方向上的距离信息，接收模组14上对应的感光像素142同步工作以感测从该方向上返回的光信号。所述声光偏转模组12沿不同光束偏转角度发出感测光束脉冲的个数可以不一样，例如可以根据测距装置10在各个光束偏转角度所照射方向上需满足的距离检测最远值来设置沿该方位发出感测光束脉冲的个数，同理，接收模组14上被配置为感测该方向光信号的感光像素142可根据该方向需满足的距离检测最远值来设置一个检测帧内感测时段的个数。
在使用时，通过所述LCPG控制单元186可以控制LCPG模块126先配置好在预设的第二偏转角度范围内对光束的粗调偏转角度，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LCPG模块126的粗调偏转精度。通过所述声光偏转控制单元184控制声光偏转模块124在以已偏转的粗调偏转角度为中心的第一偏转角度范围/>内以预设的声光偏转精度/>细调光束偏转角度。对应光束经声光偏转模块124和LCPG模块126偏转后的每一个预设偏转角度，所述光源控制单元182控制发光单元1220按照预设频率和次数周期性地朝与该光束偏转角度对应的方向发射感测光束脉冲，所述感测控制单元188控制对应的感光像素142同步感测从该光束偏转角度对应方向返回的光信号，以执行与该光束偏转角度对应的方向的三维检测。
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声光偏转模块124和LCPG模块126实现感测光束在预设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。
请一并参阅图2、图13和图20，在一些实施例中，所述声光偏转模组12按照预设频率周期性地发射激光脉冲，所述激光脉冲经声光偏转模块124、次级偏转模块126、光束扩展模块129等发射光学器件形成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。所述声光偏转模组12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需满足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(Electrically ErasableProgrammable read only memory，EEPROM)、可编程只读存储介质(Programmable readonly 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可以设置在所述测距装置10内，比如：与所述声光偏转模组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测距装置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21所示，在一些实施例中，所述测距装置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采用纯固态的声光偏转模块124和次级偏转模块126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 (17)

1.一种基于柱面透镜扩束的声光偏转模组，其特征在于，被配置为向检测范围发射基于飞行时间原理进行三维信息检测的感测光束，其包括：
光源模块，包括：
多个发光单元，被配置为发出光束；
柱面准直透镜，被配置为对所述发光单元发出的光束进行准直；
声光偏转模块，被配置为接收经准直的光束并根据所施加的声波频率在预设的第一偏转角度范围内沿第一方向将光束偏转多个不同的预设偏转角度；
会聚光学器件，被配置为对经所述声光偏转模块偏转后的光束进行会聚；
液晶偏振光栅模块，被配置为对经偏转和会聚的光束分别在多个时刻进一步偏转对应的不同预设偏转角度以形成不同发射方向的感测光束；及
柱面扩束透镜，设置在所述液晶偏振光栅模块的出光侧，所述柱面扩束透镜包括沿第二方向弯曲设置的光学表面，被配置为对所述感测光束的发散角沿所述第二方向进行扩展以形成长条形的感测光束，定义所述感测光束具有最大尺寸的方向为其长度方向，所述长条形感测光束的长度方向平行于所述第二方向，所述第二方向与所述第一方向相互垂直设置；
所述光源模块包括沿第二方向排布的多个发光单元，所述柱面准直透镜包括沿所述光束传播方向依次设置的入光面和出光面，所述出光面为用于光束准直的光学曲面，所述出光面在柱面准直透镜垂直于所述第一方向的横截面上为曲线，所述出光面在柱面准直透镜垂直于所述第二方向的横截面上为直线。
2.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向；或者
所述第一方向为竖直方向，所述第二方向为水平方向。
3.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述柱面扩束透镜为平凹柱面透镜，所述平凹柱面透镜以内凹弯曲的入光面作为所述光学表面；或者
所述柱面扩束透镜为平凸柱面透镜，所述平凸柱面透镜以外凸弯曲的入光面作为所述光学表面。
4.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述液晶偏振光栅模块偏转光束的多个预设偏转角度按照预设的第一角度间隔形成等差数列，所述第一偏转角度范围大于或等于所述第一角度间隔。
5.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的多个液晶偏振光栅单元，每个液晶偏振光栅单元包括一个液晶半波片和一个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对经过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，所述自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
6.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的多个液晶偏振光栅单元，每个液晶偏振光栅单元包括一个液晶半波片和一个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对经过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，自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
7.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述液晶偏振光栅模块包括沿光束的出射方向依次设置的一个液晶半波片和多个液晶偏振光栅片，所述液晶偏振光栅片对光束的偏转角度按照沿光束出射方向依次排布的顺序逐渐增大，其中一个液晶偏振光栅片与相邻的前一个液晶偏振光栅片对光束的偏转角度之差按照沿光束出射方向依次排布的顺序呈二的自然数次方逐级递增，自然数的取值为所述液晶偏振光栅片的序号减一，所述液晶偏振光栅模块通过改变光束经过所述液晶偏振光栅片的衍射状态来对应控制光束经所述液晶偏振光栅片后的预设偏转角度。
8.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述光源模块进一步包括缩束光学器件，所述缩束光学器件被配置为将经所述柱面准直透镜准直后的光束先缩小至预设尺寸后再传输至所述声光偏转模块。
9.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述光源模块进一步包括线偏振片，所述线偏振片设置在光束进入所述声光偏转模块之前的光路上，被配置为将光束在进入所述声光偏转模块之前转换为具有预设偏振态的线偏振光。
10.如权利要求1所述的声光偏转模组，其特征在于，所述光源模块进一步包括偏振分束器、偏振方向调节件及导光件，所述偏振分束器设置在光束进入所述声光偏转模块之前的光路上，所述偏振分束器将经过的光束分解为第一偏振光束和第二偏振光束，所述第一偏振光束具有第一偏振方向，所述第二偏振光束具有与所述第一偏振方向不同的第二偏振方向，所述导光件被配置为引导所述第一偏振光束或所述第二偏振光束的传播方向或者既引导所述第一偏振光束又引导所述第二偏振光束的传播方向，以使得所述第一偏振光束和所述第二偏振光束分别沿不同光路入射至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件被配置为改变所述第一偏振光束或所述第二偏振光束的偏振方向，使得两者以相同的预设偏振方向进入所述声光偏转模块。
11.如权利要求10所述的声光偏转模组，其特征在于，分解后的所述第一偏振光束和所述第二偏振光束分别到达所述声光偏转模块的时刻具有预设的时间差，所述声光偏转模组按照预设频率周期性地发射感测光束脉冲，所述预设的时间差等于所相继发出的两个感测光束脉冲之间的时间间隔。
12.如权利要求10所述的声光偏转模组，其特征在于，所述第一偏振光束沿光束入射所述偏振分束器时入射方向所在的主光轴透过所述偏振分束器传播至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件设置在所述主光轴上，被配置为将所述第一偏振光束的第一偏振方向改变为所述第二偏振方向。
13.如权利要求10所述的声光偏转模组，其特征在于，所述第二偏振光束经所述偏振分束器后沿偏离光束入射所述偏振分束器时入射方向所在的主光轴的旁支光路传播至所述声光偏转模块，所述偏振方向调节件设置在所述旁支光路上，被配置为将所述第二偏振光束的第二偏振方向改变为所述第一偏振方向。
14.如权利要求10、12或13所述的声光偏转模组，其特征在于，所述偏振方向调节件包括液晶层，被配置为通过调节所述液晶层内液晶分子的朝向以改变经过光束的偏振方向。
15.如权利要求10所述的声光偏转模组，其特征在于，所述第二偏振光束经所述导光件引导后沿平行于所述第一偏振光束的方向进入所述声光偏转模块，所述第一偏振光束和第二偏振光束各自在所述声光偏转模块上的入射点均位于所述声光偏转模块上预设的入射区域内。
16.一种测距装置，其特征在于，被配置为对位于预设检测范围内的物体进行三维信息检测，包括如权利要求1-15中任意一项所述的声光偏转模组，所述测距装置还包括接收模组及处理模块，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，所述处理模块被配置为分析处理所述光感应信号以在检测范围内进行距离检测。
17.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求16所述的测距装置，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测距装置的检测结果实现相应的功能。
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