CN116974053A - 基于空间光调制器的光发射装置及固态激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于空间光调制器的光发射装置及固态激光雷达，光发射装置包括依次设置的至少一个激光发射模块、第一偏振片、空间光调制器及凸面镜，激光发射模块发射的光束经过第一偏振片后照射至空间光调制器上，空间光调制器对光束调制后照射至凸面镜上，凸面镜将光束反射到0‑360°的视场内，可实现0‑360°视场角。具有该光发射装置的固态激光雷达具有0‑360°的可编程视场，在移动过程中重新配置视场和角度分辨率。同时，空间光调制器在调制光束时基本不损失光强，通过全息技术将光束反射到需要的地方，节省能量且提高了固态激光雷达的效率。调制后的光束中的高强度光束可以探测遥远的物体，而低强度光束可以探测附近的物体，根据实际需要进行合理分配。

Description

基于空间光调制器的光发射装置及固态激光雷达
技术领域
本发明涉及基于空间光调制器的光发射装置及固态激光雷达。
背景技术
激光雷达(Laser Radar，LiDAR)是一种传感器技术，其可以反射附近物体的激光束，从而创建高度精确的周围环境的三维地图。由于所选的近红外(IR)波长(905/1550nm)，激光脉冲是不可见的，对人眼是安全的。与相机不同，激光雷达在弱光和强光下工作效果良好，而且能提供比雷达或超声波更详细的数据，是大多数自动驾驶汽车传感器网络的重要组成部分。激光雷达的3D绘图能力也可用于土木工程、工业自动化等领域。
激光雷达系统可以大致分为机械系统和固态系统。在机械系统中，发射的激光束被旋转的多面多边形镜子以不同的垂直角度反射到车辆周围(360°视场)，每个镜面有不同的倾斜角度。但其非常昂贵且角度分辨率小，很难发现距离比较远的障碍物。
实现固态系统的主要技术方案包括MEMS技术、flash LiDAR和光学相控阵(OPA)技术。
MEMS技术是通过MEMS微反射镜的角度旋转来控制出射光的扫描动作，其与棱镜旋转式的机械扫描激光雷达非常相似，区别仅在于使用了尺寸大幅缩小的MEMS微镜来取代高速旋转的反射棱镜，以发射功率缩小为代价，大大缩减了系统的尺寸及重量，并提高了整体的可靠性。但是由于MEMS微镜的偏转角度通常小于传统的机械式反射棱镜，通常还需要添加额外的光学组件来扩展视野。
Flash LiDAR需要用一次闪光同时照亮整个视野范围，在总发射功率受到光阑尺寸以及人眼安全规范的限制无法提高的情况下，其单位角度下所对应的光功率密度远小于其他几种激光雷达，因此其量程较短，且整体的有效分辨率也会因为较低的回波信噪比而偏低，限制了其在高速运动环境下的应用。
光学相控阵(OPA)技术是近年来兴起的一种全新的扫描方式，通过光波导相位延迟器控制阵列上不同位置的发射相位来控制光束的出射方向。但是，OPA LiDAR作为一种较新颖的技术，其使用的光波导相控阵器件技术成熟度仍然较低，且受限于制造工艺，仍以一维相控阵列为主，应用灵活性受限，同时其价格的高昂以及产品线的缺乏也极大地限制了其的广泛应用。
在固态系统中，虽然没有运动部件，但视场较小(50°-90°)。一辆汽车需要4-6个单元才能“看到”周围。目前还没有一种固态激光雷达能够提供完整的360°视场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器的光发射装置及固态激光雷达，至少解决上述技术问题之一。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于空间光调制器的光发射装置，包括依次设置的至少一个激光发射模块、第一偏振片、空间光调制器及凸面镜，所述激光发射模块发射的光束经过第一偏振片后照射至所述空间光调制器上，所述空间光调制器对光束调制后照射至所述凸面镜上，所述凸面镜将光束反射。
进一步地，所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上设置有第二偏振片，所述第二偏振片和所述第一偏振片的偏振方向相同。
进一步地，所述第一偏振片和所述第二偏振片为同一个。
进一步地，所述光发射装置还包括反射结构，所述反射结构设置在所述空间光调制器和所述激光发射模块之间的光路上，和/或设置在所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上，以将改变光束的方向。
进一步地，所述光束入射至所述反射结构的入射角为0-90°，但不包括0和90°；所述反射结构为镜子或光学分束器。
进一步地，所述激光发射模块包括依次设置的激光器、至少一个准直透镜和光圈。
进一步地，所述光发射装置还包括傅立叶透镜和至少一个用以将光束聚焦的聚焦透镜，所述傅立叶透镜设置在所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上，所述聚焦透镜设置在所述傅立叶透镜和所述凸面镜之间的光路上或者从所述凸透镜出射后的光路上。
进一步地，所述聚焦透镜为单个透镜或透镜阵列。
进一步地，所述空间光调制器为硅基液晶、液晶器件和微透镜阵列中的任一个。
本发明还提供一种固态激光雷达，包括：
光发射装置，用于发射光束；
接收装置，用于接收信号；
控制装置，控制和同步所述发射装置和所述接收装置；
其中，所述光发射装置为如上所述的基于空间光调制器的光发射装置。
本发明的有益效果在于：基于空间光调制器的光发射装置包括空间光调制器对光束调制后照射至凸面镜的不同部位，凸面镜将光束反射到0-360°的视场内，可实现0-360°视场角。具有该基于空间光调制器的光发射装置的固态激光雷达具有0-360°的可编程视场，可以通过全息图计算和更新以动态调制光束和改变远场衍射图案，在移动过程中重新配置视场和角度分辨率。同时，空间光调制器在调制光束时基本不损失光强，通过全息技术将光束反射到需要的地方，节省能量且提高了固态激光雷达的效率。调制后的光束中的高强度光束可以探测遥远的物体，而低强度光束可以探测附近的物体，根据实际需要进行合理分配。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图2为本发明所示的基于空间光调制器的光发射装置的发射光束阵列的光学模拟。
图3为本发明所示的基于空间光调制器的光发射装置的另一结构示意图。
图4为本发明实施例一所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图5为本发明实施例二所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图6为本发明实施例三所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图7为本发明实施例四所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图8为本发明实施例五所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图9为本发明实施例六所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图10为本发明实施例七所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图11为本发明实施例八所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图12为本发明实施例九所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
图13为本发明实施例十所示的基于空间光调制器的光发射装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参见图1和图2，本发明一实施例提供的基于空间光调制器的光发射装置，其包括依次设置的至少一个激光发射模块1、第一偏振片2、空间光调制器3及凸面镜4。激光发射模块1发射的光束经过第一偏振片2后照射至空间光调制器3上，空间光调制器3对光束调制后照射至凸面镜4上，凸面镜4将光束反射。
其中，空间光调制器3用于对光束进行空间调制，空间光调制器3为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)、液晶器件(Liquid Crystal Device)和微透镜阵列(DMD)中的任一个，但不仅限于此，其还可以为其他对光束进行调制的器件，在此不一一列举。
LCoS是一种利用液晶的光电效应对光场进行调制的光学器件，可以调制激光束并将其分成多个可重构模式的光束或可变角度间距的光束，本发明以LCoS为例进行详细说明。LCoS上有效区域内加载了全息图31(Computer Generated Hologram，CGH)，全息技术将一束入射光按照需求分为多束光并且反射出去。关于LCoS的结构和其功能都为现有技术，在此不再赘述。
现有技术中，LCoS为振幅型LCoS，其通过利用液晶偏转配合起偏器和检偏器，实现对光的强度和偏振状态进行调制，其是有光的损耗的。本实施例中，LCoS为相位型LCoS，通过调节液晶分子的排列，只改变光的相位信息，不影响光的偏振状态和强度，基本不损失光强。
光发射装置还包括控制模块(未示出)，控制模块与LCoS连接，用于控制LCoS加载全息图31。关于控制模块为现有技术，在此不再赘述。
LCoS和凸面镜4配合可实现0-360°视场角。具体的，凸面镜4用于将照射至其上的光束改变方向并射出。空间光调制器3将一束或几束光束通过全息技术形成多束光束，并将它们射向凸面镜4的不同部位，凸面镜4再将这些光束反射到0-360°的视场内。
同时，LCoS也增强了角分辨率。请参见图2，光学模拟证明了发射的3x3光束阵列具有固定的角度分辨率，使用LCoS上的全息图31，所选光束可以扫描预定义的4°x4°区域，以获得0.4°x0.4°的增强角分辨率。
请参见图1和图3，第一偏振片2的设置用于将照射至空间光调制器3上的光束形成偏振光，以提高空间光调制器3对光束的调制效率。空间光调制器3和凸面镜4之间的光路上设置有第二偏振片5，第二偏振片5和第一偏振片2的偏振方向相同。第二偏振片5的设置，减少了空间光调制器3反射出的其他偏振光的影响。
在一实施例中第一偏振片2和第二偏振片5为同一个，从而减少偏振片设置的数量。
请参见图4，激光发射模块1包括依次设置的激光器11、至少一个准直透镜12和光圈13。激光器11发射的光束经过准直透镜12准直后，再经过光圈13滤除散射的光后射出。准直透镜12和光圈13配合以改变光束直径，关于准直透镜12数量，可根据实际需要进行设设置，可为一个、两个、三个等，在此不一一列举。
激光器11发射的光束可以是单点、多点、具有形状的面光等，在此不做具体限定。
激光发射模块1设置的数量可为多个，一个激光发射模块1中只有一个激光器11，其能量有限，当需要的视场角很大时，则导致有效量程较短。为此可设置多个激光发射模块1并在空间上围绕排布，使得发生的光束照射至空间光调制器3的不同区域上，以调制出不同方向，在保证有效量程足够远的前提下，增加视场角。
光发射装置还包括反射结构6，反射结构6设置在空间光调制器3和激光发射模块1之间的光路上，和/或设置在空间光调制器3和凸面镜4之间的光路上，以将改变光束的方向。从而使得光发射装置的空间布局更加合理，尺寸更小。
光束入射至反射结构6的入射角为0-90°，但不包括0和90°。优选地，光束入射至反射结构6的入射角为5°-45°。
值得注意的是，上述数值包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。
举例来说，阐述的光束入射至反射结构6的入射角为0-90°，优选为5°-45°，更优选为10°-40°，进一步优选为15°-35°，目的是为说明上述未明确列举的诸如20°、25°、30°等值。
如上述，以5为间隔单位的示例范围，并不能排除以适当的单位例如1、2、4、5等数值单位为间隔的增长。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。
反射结构6为镜子或光学分束器等可发射光束的结构，在此不一一列举。
光发射装置还包括傅立叶透镜7和至少一个用以将光束聚焦的聚焦透镜8。傅立叶透镜7设置在空间光调制器3和凸面镜4之间的光路上，用于对调制后的光束进行一次傅里叶变换处理，并聚焦在凸面镜4的表面。
聚焦透镜8设置在傅立叶透镜7和凸面镜4之间的光路上或者从凸透镜出射后的光路上。聚焦透镜8用于将光束进一步聚焦，以此抵消凸面镜4对光束的发散效果。
聚焦透镜8为单个透镜或透镜阵列。聚焦透镜8的焦距的大小可以决定目标方向的有效量程或距离，聚焦透镜8和凸面镜4共同作用产生准直光束或近似于准直光束时，光束发散或损失最小，激光雷达或照明的有效量程或距离最大。也可以根据应用需求产生发散光，有效量程或距离短，但是视场大，适合于近距离测距或照明。
以目前发展最为迅速的自动驾驶领域为例，满足L4等级的自动驾驶车辆的激光雷达系统需要满足120°×25°的视场大小以及最大200m的有效量程，同时拥有15Hz以上的采集帧率。尽管flash LiDAR拥有诸多适合于高速运动场景的优点，但目前由于视角与量程互相矛盾，很难依靠单个设备同时满足以上三项要求。
将两种或多种激光雷达技术相结合，对不同的技术进行取长补短、结合使用，是一种能够有效地提升激光雷达的功能及性能的思路。
LCoS作为一种较为成熟的光学相控阵器件，尽管其响应速度及相位精度等方面不如光波导相控阵器件，无法用于直接扫描，但其能够提供的高分辨率二维光相控阵技术是目前的光波导相控阵所无法比拟的，将其与现有的其他激光雷达技术相结合，LCoS光相控阵仍然能够为激光雷达系统提供极大的应用灵活性。
因此，使用LCoS光相控阵与flash LiDAR结合，在不改变flash LiDAR全固态高可靠性这一特点的前提下，通过使用可变扫描区域、进而提高flash LiDAR的性能指标以及应用灵活性。
故此，本发明还提供一种固态激光雷达，包括用于发射光束的光发射装置、用于接收信号的接收装置、控制和同步发射装置和接收装置的控制装置。
其中，光发射装置为如上的基于空间光调制器的光发射装置。该固态激光雷达具有0-360°的可编程视场，可以通过全息图计算和更新以动态调制光束和改变远场衍射图案，在移动过程中重新配置视场和角度分辨率。同时，LCoS在调制光束时基本不损失光强，通过全息技术将光束反射到需要的地方，节省能量且提高了固态激光雷达的效率。调制后的光束中的高强度光束可以探测遥远的物体，而低强度光束可以探测附近的物体，根据实际需要进行合理分配。
光发射装置还可以应用在360°智能照明，或经过调制后照射至一个或多个方向的局部角度照明上，可广泛应用在家庭、办公室、光雕等。
下面以具体实施例对基于空间光调制器3的光发射装置进行详细说明。
实施例一
请参见图4，激光发射模块1包括依次设置的激光器11、准直透镜12和光圈13，第一偏振片2设置在准直透镜12和光圈13之间，光圈13和LCoS之间设置有镜子6，且LCoS和凸面镜4之间的光路上依次设置有傅立叶透镜7和聚焦透镜8。
激光器11发射的光束经过准直透镜12准直，准直后的光束依次穿过第一偏振片2和光圈13，并通过镜子发射至LCoS表面，且光束射向LCoS的入射角小于10度，以保证LCoS的光束的调制性能。LCoS上有效区域内加载了全息图，全息技术将一束入射光按照需求分为多束光并且反射出去，再依次经过傅立叶透镜7和聚焦透镜8聚焦在凸面镜4表面，多束光在通过凸面镜4反射到被探测的物体(激光雷达)，或是需要照明的位置和方向(智能照明)。
实施例二
请参见图5，本实施例的光发射装置与实施例一的光发射装置基本相同，不同点为：还包括第二偏振片5，该第二偏振片5位于LCoS和凸面镜4之间的光路上，具体的，位于LCoS和傅立叶透镜7之间的光路上。
相较于实施例一，第一偏振片2和第二偏振片5的配合，减少了LCoS反射出的其他偏振光的影响。
实施例三
请参见图6，本实施例的光发射装置与实施例二的光发射装置基本相同，不同点为：第一偏振片2和第二偏振片5为同一个。该偏振片靠近LCoS设置，实现一个偏振片即位于光束入射至LCoS的路径上，也同时位于光束从LCoS出射的路径上。
实施例四
请参见图7，本实施例的光发射装置与实施例二的光发射装置基本相同，不同点为：激光发射模块1发射的光束入射至镜6子上的入射角变小。改变光束入射至镜子6上的入射角，使得布局合理，以减小装置的整体尺寸。
实施例五
请参见图8，本实施例的光发射装置与实施例二的光发射装置基本相同，不同点为：使用光学分束器6取代镜子作为反射结构6。光学分束器6可以达到入射至LCoS表面的入射角为0。
实施例六
请参见图9，本实施例的光发射装置与实施例一的光发射装置基本相同，不同点为：聚焦透镜8设置在光束从凸面镜4发射并向外出射的出射光路上，且聚焦透镜8设置的数量为多个，聚焦透镜8为单个透镜。聚焦透镜8放置在凸面镜4之后来抵消凸面镜4对光束的发散效果。多个聚焦透镜8中的每个聚焦透镜8可对应一个目标方向，也可以多个聚焦透镜8对应一个目标方向，也可以一个聚焦透镜8对应多个目标方向，也可以多个聚焦透镜8对应多个目标方向。每个聚焦透镜8可以是相同的焦距，也可以是不同的焦距。焦距的大小可以决定目标方向的有效量程，可以根据需求来选择不用目标方向的聚焦透镜8的焦距，比如汽车前方需要大量程，使用可以和凸面镜4一起准直光束的聚焦透镜8，汽车侧前方不需要太大的量程，但是需要较大的连续视场来避免转弯的时候有障碍物，可以使用和凸面镜4一起发散光束的聚焦透镜8。
实施例七
请参见图10，本实施例的光发射装置与实施例六的光发射装置基本相同，不同点为：还包括第二偏振片5，该第二偏振片5位于LCoS和凸面镜4之间的光路上，具体的，位于LCoS和傅立叶透镜7之间的光路上。
相较于实施例六，第一偏振片2和第二偏振片5的配合，减少了LCoS反射出的其他偏振光的影响。
实施例八
请参见图11，本实施例的光发射装置与实施例六的光发射装置基本相同，不同点为：聚焦透镜8为透镜阵列。同实施例六一样，每一个透镜阵列对应一个目标方向，也可以多透镜阵列对应一个目标方向，也可以一个透镜阵列对应多个目标方向，也可以多个透镜阵列对应多个目标方向。每个透镜阵列可以是相同的焦距，也可以是不同的焦距。焦距的大小可以决定目标方向的有效量程，可以根据需求来选择不用目标方向的透镜阵列的焦距。
实施例九
请参见图12，本实施例的光发射装置与实施例八的光发射装置基本相同，不同点为：还包括第二偏振片5，该第二偏振片5位于LCoS和凸面镜4之间的光路上，具体的，位于LCoS和傅立叶透镜7之间的光路上。
相较于实施例八，第一偏振片2和第二偏振片5的配合，减少了LCoS反射出的其他偏振光的影响。
实施例十
请参见图13，本实施例的光发射装置与实施例七的光发射装置基本相同，不同点为：激光发射模块1设置有两个。两个激光发射模块1发射的光束照射至LCoS表面，并最后经凸面镜4发射出去，提高了光发射装置发射的光束的能量。激光发射模块1的数量还可以为三个、四个、五个等，在此不一一列举。
综上，基于空间光调制器的光发射装置包括空间光调制器对光束调制后照射至凸面镜的不同部位，凸面镜将光束反射到0-360°的视场内，可实现0-360°视场角。具有该基于空间光调制器的光发射装置的固态激光雷达具有0-360°的可编程视场，可以通过全息图计算和更新以动态调制光束和改变远场衍射图案，在移动过程中重新配置视场和角度分辨率。同时，空间光调制器在调制光束时基本不损失光强，通过全息技术将光束反射到需要的地方，节省能量且提高了固态激光雷达的效率。调制后的光束中的高强度光束可以探测遥远的物体，而低强度光束可以探测附近的物体，根据实际需要进行合理分配。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，包括依次设置的至少一个激光发射模块、第一偏振片、空间光调制器及凸面镜，所述激光发射模块发射的光束经过第一偏振片后照射至所述空间光调制器上，所述空间光调制器对光束调制后照射至所述凸面镜上，所述凸面镜将光束反射。
2.如权利要求1所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上设置有第二偏振片，所述第二偏振片和所述第一偏振片的偏振方向相同。
3.如权利要求2所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述第一偏振片和所述第二偏振片为同一个。
4.如权利要求1所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述光发射装置还包括反射结构，所述反射结构设置在所述空间光调制器和所述激光发射模块之间的光路上，和/或设置在所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上，以将改变光束的方向。
5.如权利要求4所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述光束入射至所述反射结构的入射角为0-90°，但不包括0和90°；所述反射结构为镜子或光学分束器。
6.如权利要求1所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述激光发射模块包括依次设置的激光器、至少一个准直透镜和光圈。
7.如权利要求1所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述光发射装置还包括傅立叶透镜和至少一个用以将光束聚焦的聚焦透镜，所述傅立叶透镜设置在所述空间光调制器和所述凸面镜之间的光路上，所述聚焦透镜设置在所述傅立叶透镜和所述凸面镜之间的光路上或者从所述凸透镜出射后的光路上。
8.如权利要求7所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述聚焦透镜为单个透镜或透镜阵列。
9.如权利要求1所述的基于空间光调制器的光发射装置，其特征在于，所述空间光调制器为硅基液晶、液晶器件和微透镜阵列中的任一个。
10.一种固态激光雷达，其特征在于，包括：
光发射装置，用于发射光束；
接收装置，用于接收信号；
控制装置，控制和同步所述发射装置和所述接收装置；
其中，所述光发射装置为权利要求1至9中任一项所述的基于空间光调制器的光发射装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117572677A (zh) * 2023-12-29 2024-02-20 剑芯光电(苏州)有限公司 一种液晶器件动态反射率的测试系统及方法

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