CN117083534A - 激光雷达光束扫描系统 - Google Patents

Abstract

光束扫描系统包括光源、光开关、一组光谱色散元件和一组轮廓色散阵列。光源发出光束，光束被光开关或光谱色散元件中的至少一个接收。光开关从根据控制信号所选的输出端口发射接收到的光束。光谱色散元件从光开关接收光束。光谱色散元件色散光束以扫描所需的目标区域。轮廓色散阵列之一接收来自光谱色散阵列的色散光束，并将色散光束折射为扫描所需的目标区域的光束阵列。

Description

激光雷达光束扫描系统

相关申请的交叉参考/参考文献的引用

本专利申请参考并要求于2021年3月2日提交的美国临时申请63/155,498，的优先权和利益，其内容通过引用的方式全部结合于此。

技术领域

本公开的各种实施例一般涉及光电设备。更具体地说，本公开的各种实施例涉及基于激光探测和测距(LIDAR)系统的光束扫描系统。

背景技术

LIDAR系统被用于通过光线探测所需区域内的物体。物体可以是车辆、建筑物、地貌、或类似物。LIDAR系统通常包括一个光束扫描器，用于扫描所需区域以探测物体。

有些LIDAR系统利用机械部件实现光束扫描。例如，利用万向节操纵光源的光束来扫描所需的区域。另一个例子是在光束扫描器中使用扫描镜。然而，使用这种机械组件容易出现可靠性问题，而且组件的振动效应也不理想。

其他LIDAR系统则使用没有移动部件的固态解决方案来实现光束扫描器。目前的固态解决方案使用光学相位阵列(OPA)作为光束扫描器。OPA包括光源、功率分配器、移相器阵列和纳米光子天线元件阵列。功率分配器将光源发出的输入光分配成光束阵列，由移相器阵列接收。通过控制每个移相器的相位延迟，从移相器阵列向纳米光子天线元件阵列提供相位延迟光束。纳米光子天线元件阵列发射光束阵列，扫描所需的目标区域。然而，由于这种固态解决方案包括功率分配器，因此必须使用高功率光源，从而导致OPA的高光损耗。

通过将所述系统与本申请其余部分概述的本公开内容的某些方面进行比较，并参考附图，本领域技术人员会发现传统方法的局限性和缺点。

发明内容

如权利要求书中更完整所述的，以及结合至少一个附图所述和/或在至少一个附图中所示，提供了一种光束扫描系统。

通过阅读本公开的以下详细描述以及附图，可以了解本公开的这些及其他特征和优点，在附图中，相同的参考标号表示相同的部件。

附图说明

附图说明了本公开的系统、方法和其他方面的各种实施例。对于本领域技术人员来说，图中所示的元件边界(如方框、方框组或其他形状)代表边界的一个示例。在某些示例中，一个元件可以设计成多个元件，或者多个元件可以设计成一个元件。在某些示例中，显示为一个元件内部组件的元件可以在另一个元件中作为外部组件实现，反之亦然。

本公开的各种实施例以举例方式由附图以示出，但并不局限于附图，其中相同的标号表示类似的元件，其中：

图1是示出了根据本公开的一个实施例的光束扫描系统的示意图；

图2是示出了根据本公开的一个实施例的图1的光束扫描系统的第一个多个轮廓(contour)色散元件中的第一个轮廓色散元件的示意图；

图3是根据本公开的一个实施例，示出了图1的光束扫描系统的光谱色散元件对光束的色散以及第一轮廓色散阵列发射第一光束阵列以扫描所需的目标区域的示意图；

图4是示出了根据本公开的一个实施例的图3的第一轮廓色散元件和第一轮廓表面的示意图；

图5是根据本公开的一个实施例，通过图1的光束扫描系统对所需的目标区域进行扫描而形成的光栅扫描模式和时钟螺旋扫描模式的示意图；

图6是示出了根据本公开的一个实施例的图3所需的目标区域示意图；

图7是示出了根据本公开的另一个实施例的另一个光束扫描系统的示意图；

图8是示出了根据本公开的另一个实施例的另一个光束扫描系统的示意图；以及

图9A、9B和9C是综合示出了根据本公开的一个实施例的图1的光束扫描系统的光束扫描方法的流程图。

从下文提供的详细描述中，本公开的更多适用领域将变得显而易见。应该理解，示例性实施例的详细描述仅用于说明目的，因此，并不意味着一定要限制本公开的范围。

具体实施方式

参考本文中的详细图示和说明，可以更好地理解本公开内容。下文将参照图示讨论各种实施例。然而，本领域的技术人员很容易理解，本文所给出的有关图的详细描述仅仅是出于解释的目的，因为方法和系统可以扩展到所描述的实施例之外。在一个示例中，所介绍的教导和特定应用的需求可能会产生多种替代和合适的方法来实现本文所描述的任何细节的功能。因此，任何方法都可能超出以下所描述和展示的实施例中的特定实施选择。

“一个实施例”、“另一个实施例”、“又一个实施例”、“一个示例”、“另一个示例”、“又一个示例”、“例如”等提法表示所描述的实施例或示例可包括特定特征、结构、特性、属性、元素或限制，但并非每个实施例或示例都一定包括该特定特征、结构、特性、属性、元素或限制。此外，重复使用“在一个实施例中”这一短语并不一定是指同一个实施例。

在一个实施例中，可以提供一种光束扫描系统。光束扫描系统包括光源、光开关、光谱色散阵列和多个轮廓色散阵列。光源可配置为发射光束。光开关可与光源耦合，并具有多个输出端口。光开关可配置为接收光束，将光束引导至多个输出端口中的第一输出端口，并从相应的输出端口发射光束。光谱色散阵列包括多个光谱色散元件。多个光谱色散元件中的每个光谱色散元件可与多个输出端口中的相应输出端口耦合。多个光谱色散元件中的第一光谱色散元件可配置为接收来自光开关的第一输出端口的光束，并将光束色散为多个子波段的光(wavelength sub-band of light)。

在一些实施例中，多个轮廓色散阵列中的每个轮廓色散阵列可与光谱色散阵列的相应光谱色散元件相关联。多个轮廓色散阵列中的第一个轮廓色散阵列包括多个轮廓色散元件。多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件可配置为接收和折射多个子波带的光中的相应的子波带的光，从而使第一轮廓色散阵列发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

在一些实施例中，光源可以是波长可调的光源。

在一些实施例中，光开关可进一步配置为接收控制信号，并根据控制信号选择第一输出端口以输出光束。

在一些实施例中，光源发出的光束可以是全波长光谱。

在一些实施例中，光开关的输出端口的数量可以等于光谱色散阵列中的光谱色散元件数量和多个轮廓色散阵列中的轮廓色散阵列数量。

在一些实施例中，光的子波段的数量可以等于多个轮廓色散阵列中轮廓色散阵列的轮廓色散元件数。

在一些实施例中，多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件都包括多个轮廓，使得多个轮廓中的每个轮廓都有一个相应的偏航角和一个相应的俯仰角。

在一些实施例中，多个轮廓中的每个轮廓同时为接收到的子波段的光提供相应的折射角，从而使多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件同时发射相应的多个折射光束。光束阵列包括从每个轮廓色散元件发射的相应的多束折射光。

在一些实施例中，多个子波段的光是连续的子波段的光。

在一些实施例中，光束可根据光谱色散阵列与多个轮廓色散阵列之间的光路距离进行色散。

在一些实施例中，光开关可以是自由空间光开关、光纤开关、基于硅光子学的光开关和基于III-V族的光开关。光开关可进一步包括增益元件。

在另一个实施例中，可以提供光束扫描系统。光束扫描系统包括光源、光谱色散元件和轮廓色散阵列。光源可配置为发射光束。光开关可配置为接收光束，将光束导向多个输出端口中的第一输出端口，并从相应的输出端口发射光束。光谱色散元件可配置为接收光束并将光束色散为多个子波段的光。轮廓色散阵列包括多个轮廓色散元件。多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件可配置为接收和折射多个子波段的光中的相应的子波段光，从而使轮廓色散阵列发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

在另一个实施方案中，提供了光束扫描系统。光束扫描系统包括光源、光开关和光谱色散阵列。光源可配置为发射光束。光开关可与光源耦合，并具有多个输出端口。光开关可配置为接收光束，将光束引导至多个输出端口中的第一输出端口，并从相应的输出端口发射光束。光谱色散阵列包括多个光谱色散元件。多个光谱色散元件中的每个光谱色散元件可与多个输出端口中的相应输出端口耦合。多个光谱色散元件中的第一光谱色散元件可配置为接收来自光开关第一输出端口的光束，并将光束色散为多个子波带的光，以扫描所需的目标区域。

本公开的各种实施例公开了一种光束扫描系统。光束扫描系统包括光源、光开关、光谱色散阵列和轮廓色散阵列。光源发射光束，光开关接收该光束。光开关有多个输出端口，并根据控制信号通过输出端口之一发射接收到的光束。光谱色散阵列包括光谱色散元件。光谱色散元件之一接收从光开关输出端口发射的光束，并将光束色散成子波带光。轮廓色散阵列之一接收子波段的光，并对接收到的子波段的光进行折射。折射后的子波段的光形成光束阵列，用于扫描所需的目标区域。本公开的光束扫描系统是一种固态系统，没有活动部件，因此与使用机械部件实现的传统光束扫描系统相比，不易出现可靠性问题和振动影响。此外，与使用高功率光源的传统固态光束扫描系统相比，本公开的光束扫描系统使用低功率光源，因此降低光损耗。

图1是示出了根据本公开的一个实施例的光束扫描系统100的示意图。光束扫描系统100可包括光源102、光开关104、光谱色散阵列106和多个轮廓色散阵列108。

光源102可配置为发射光束。光源102可以是波长可调光源。光源102发出的光束是全波长光谱光。全波长光谱是指电磁波谱中从红外线到近紫外线的光范围。光源102发出的光束可提供给光开关104。光源102的例子可包括激光器、发光二极管、超辐射发光二极管或类似装置。

光开关104可与光源102相连。光开关104可配置为接收来自光源102的光束。光开关104具有多个输出端口P1-Pp，其中显示了第一输出端口P1、第二输出端口P2、第三输出端口P3、.....和第p个输出端口Pp。多个输出端口P1-Pp中的每个输出端口可在空间上以规则间距分开。光开关104可进一步配置为接收来自外部控制器(未显示)的控制信号，并根据接收到的控制信号从多个输出端口P1-Pp中选择一个输出端口。光开关104可进一步配置为将从光源102接收到的光束引导至选定的输出端口，并从多个输出端口P1-Pp中选定的输出端口发射光束。在单个时间实例中，光开关104可配置为从多个输出端口P1-Pp中的单个输出端口发射光束。

光开关104可进一步包括增益元件，用于放大光束的功率。光开关104可进一步配置为将从所选输出端口发射的光束提供给光谱色散阵列106。光开关104的示例可包括但不限于自由空间光开关、光纤开关、基于硅光子学的光开关和基于III-V族的光开关。在一个实施例中，当光开关104可以是基于硅光子学的开关时，光源102和光开关104可以通过单片集成、混合集成、整体耦合(bulk coupling)或自由空间光学耦合集成到单个元件中。

光谱色散阵列106可以耦合到光开关104。光谱色散阵列106可配置为接收来自光开关104的相应输出端口的光束。光谱色散阵列106包括多个光谱色散元件106a-106p，其中第一光谱色散元件106a、第二光谱色散元件106b、第三光谱色散元件106c、.....和第p个光谱色散元件106p被示出。多个光谱色散元件106a-106p中的每个光谱色散元件与多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口并联。在一个示例方案中，第一频谱色散元件106a可以并联到第一输出端口P1。此外，第一光谱色散元件106a可以配置为接收来自第一输出端口P1的光束。第一光谱色散元件106a可进一步配置为以不同角度折射光束(即，全波长光谱光)中的不同波长，从而将光束色散为第一多个子波带光。第一多个子波段光中的每个子波段光指的是相应波长的光，因此第一多个子光段光是连续的子波段光。第一多个子波带光包括第一子波段光、第二子波段光、第三子波段光、第四子波段光、第五子波段光直至第m子波段光。

光束的色散是由于两种光学透射材料之间的界面折射率不同造成的。在一个例子中，两种光学透射材料是空气和玻璃。此外，多个光谱色散元件106a-106p的每个元件都是光学玻璃。本领域技术人员应该知道，材料的折射率与穿过材料的光波长成反比。因此，第一光谱色散元件106a接收到的光束会被色散成第一多个子波段光。第一光谱色散元件106a的其他示例可包括棱镜、衍射光学元件等。

第二光谱色散元件106b、第三光谱色散元件106c直至第p光谱色散元件106p可配置为分别从第二输出端口P2、第三输出端口P3直至第p输出端口Pp接收光束。此外，第二光谱色散元件106b、第三光谱色散元件106c直至第p光谱色散元件106p在结构上和功能上与第一光谱色散元件106a相似。在一个实施例中，在一个时间实例中，多个光谱色散元件106a-106p中只有一个光谱色散元件可配置为接收来自光开关104的多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口的光束。在另一个实施例中，不止一个输出端口可将光束提供给多个光谱色散元件106a-106p中的相应光谱色散元件。此外，分别由多个光谱色散元件106b-106p发射的第二至第p个子波段光可分别提供给多个轮廓色散阵列108中的第二至第p轮廓色散阵列108b-108p。

多个轮廓色散阵列108可以耦合到光谱色散阵列106。多个轮廓色散阵列108可配置为接收来自光谱色散阵列106的第一到第P的子波段的光。多个轮廓色散阵列包括第一轮廓色散阵列108a、第二轮廓色散阵列108b、第三轮廓色散阵列108c，直至第p轮廓色散阵列108p。多个轮廓色散阵列108中的每个轮廓色散阵列可包括多个轮廓色散元件。在一个示例性方案中，第一轮廓色散阵列108a包括第一多个轮廓色散元件110a-110m，例如第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e，直到第m轮廓色散元件110m。第一多个轮廓色散元件110a-110m可以配置为接收第一多个子波段的光，从而第一轮廓色散元件110a接收第一子波段光，第二轮廓色散元件110b接收第二子波段光，而第m轮廓色散元件110m接收第m子波段的光。第一多个轮廓色散元件110a-110m中的每个轮廓色散元件可配置为折射接收到的子波段的光，从而使第一轮廓色散阵列108a发出第一阵列光束以扫描所需的目标区域。第一多个轮廓色散元件110a-110m中的每个轮廓色散元件将结合图2进行详细说明。

多个轮廓色散阵列108a-108p中的每个轮廓色散阵列都执行与第一轮廓色散阵列108a类似的功能。此外，多个轮廓色散阵列108a-108p中的每个轮廓色散阵列都被配置为扫描所需的目标区域。根据需要扫描的目标区域，光开关104将光束从相应的输出端口引导并发射到相应的光谱色散元件。相应的光谱色散元件发射多个子波段的光，从而使相应的轮廓色散阵列接收多个子波段的光，并发射光束阵列来扫描相应的目标区域。因此，可通过控制信号控制光开关104来引导光束阵列扫描所需的目标区域。

图2是示出根据本公开的一个实施例的第一多个轮廓色散元件110a-110m中的第一轮廓色散元件110a的示意图200。第一轮廓色散元件110a包括第一多个轮廓202-218，图中显示了第一轮廓202、第二轮廓204、第三轮廓206、第四轮廓208、第五轮廓210、第六轮廓212、第七轮廓214、第八轮廓216和第九轮廓218。同样，第一多个轮廓色散元件110a-110m的其余轮廓色散元件包括相应的多个轮廓。

第一多个轮廓202-218中的每个轮廓都可以是光学玻璃，每个轮廓都有一个相应的俯仰角“α”和一个相应的偏航角“β”。俯仰角α是入射子波段的光与轮廓表面法向量之间的夹角。偏航角“β”是垂直于轮廓表面法向量的向量与垂直于折射光束的向量之间的夹角。俯仰角“α”和偏航角“β”指定了相应轮廓在空间中的位置。多个轮廓202-218中的每个轮廓都有一个表面法向量。第一轮廓202具有第一表面法向量N1，第二轮廓204具有第二表面法向量N2，第三轮廓206具有第三表面法向量N3，第四轮廓208具有第四表面法向量N4，第五轮廓210具有第五表面法向量N5。此外，第六轮廓212具有第六表面法向量N6，第七轮廓214具有第七表面法向量N7，第八轮廓216具有第八表面法向量N8，第九轮廓218具有第九表面法向量N9。与第一表面法向量N1垂直的向量PS1和与第二表面法向量N2垂直的向量PS2如图2所示。在一个示例方案中，第一俯仰角“α1”是第一子波段光与第一表面法向量N1之间的夹角，第一偏航角“β1”是向量PS1与垂直于第一折射光束的向量PR1之间的夹角。此外，第二俯仰角“α2”是第一子波段光与第二表面法向量N2之间的夹角，第二偏航角“β2”是向量P与垂直于第二折射光束的向量R之间的夹角。当第一多个子波段光中的第一子波段光入射到第一轮廓色散元件110a上时，第一多个轮廓202-218中的每个轮廓以独特的角度(由于独特的俯仰角和独特的偏航角导致独特的折射率)对入射的第一子波段光折射，从而从第一轮廓色散元件110a发出第一多折射光束。第一轮廓202折射第一子波段光，从而发出第一折射光束。同样，第二轮廓204折射第一子波段的光，发出第二折射光束。

因此，第一多个轮廓色散元件110a-110m中的每个轮廓色散元件同时发出相应的多折射光束。因此，来自每个轮廓色散元件的折射光束构成了第一光束阵列。

尽管图2示出了具有九个轮廓的第一轮廓色散元件110a，但本公开的范围并不局限于此。在其他各种实施例中，第一轮廓色散元件110a中的轮廓数量可以多于或少于九个，而不会偏离本公开的范围。

图3示出了根据本公开的一个实施例的第一光谱色散元件106a对光束的色散和第一轮廓色散阵列108a发射第一阵列光束以扫描第一所需的目标区域302的示意图300。第一轮廓色散阵列108a包括第一多个轮廓色散元件110a-110m，其中第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e和第六轮廓色散元件110f如图3所示。

第一光谱色散元件106a接收来自光开关104的第一输出端口P1的光束。第一光谱色散元件106a进一步将光束色散为第一子波段光B1、第二子波段光B2、第三子波段光B3、第四子波段光B4、第五子波段光B5和第六子波段光B6。第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e和第六轮廓色散元件110f分别接收第一至第六子波段光B1-B6。第一光谱色散元件106a和第一轮廓色散阵列108a之间的光路距离是这样的：光路距离有利于相应的子波段的光入射到相应的轮廓色散元件上。第一光谱色散元件106a和第一轮廓色散阵列108a之间的光路距离还有助于相应的子波段的光入射到相应的轮廓色散元件的固定线上。固定线是指垂直于表面法线向量的向量。相应的子波段光入射到相应的轮廓色散元件的固定线上。第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e和第六轮廓色散元件110f的固定线连接在一起，形成第一轮廓色散阵列线。换句话说，第一轮廓色散阵列线连接第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e和第六轮廓色散元件110f中的每一个。第一轮廓色散元件110a、第二轮廓色散元件110b、第三轮廓色散元件110c、第四轮廓色散元件110d、第五轮廓色散元件110e和第六轮廓色散元件110f中的每一个都被设计成以相应的折射角折射预定子波段的光，以便根据斯涅耳定律扫描第一所需的目标区域302。如图3所示，第一光束阵列扫描第一所需的目标区域302。

第二至第p轮廓色散阵列108b-108p以类似于第一轮廓色散阵列108a的方式分别发射第二至第p个光束阵列以扫描相应的所需的目标区域。

图4是示出了根据本公开的一个实施例的第一轮廓色散元件110a的示意图。图4描述了第一轮廓色散元件110a的准平面402和第一轮廓表面404。第一轮廓表面404是一个连续的平面。第一轮廓色散元件110a的准平面402可以通过各种混合技术、成型技术和平滑技术的组合转换成第一轮廓表面404，这对本领域技术人员来说是显而易见的。第一轮廓表面404的功能类似于准平面表面402。此外，与准平面402的尺寸相比，第一轮廓表面404的尺寸较小。因此，当光束扫描系统100中包含第一轮廓表面404时，这种光束扫描系统100与具有准平面402的光束扫描系统100相比更加紧凑。

图5是示出了根据本公开的一个实施例的通过图1的光束扫描系统100扫描第二所需的目标区域(未显示)而形成的光栅扫描图案502和顺时钟螺旋扫描图案504的示意图500。光栅扫描图案502和顺时钟螺旋扫描图案504指的是光束扫描系统100扫描第二所需的目标区域的一种图案。光束扫描系统100的扫描图案取决于多个轮廓的排列方式。对于多个轮廓在相应俯仰角和相应偏航角上的第一种排列方式，光束扫描系统100以单个扫描图案扫描第二所需的目标区域。在一个示例方案中，第一轮廓元件110a包括三个轮廓，即第一轮廓202、第二轮廓204和第三轮廓206。在一个示例中，为了实现光栅扫描图案502，第一轮廓202的第一俯仰角α1和第一偏航角β1分别为30度和40度，第二轮廓204的第二俯仰角α2和第二偏航角β2分别为33度和37度。此外，第三轮廓206的第三俯仰角α3和第三偏航角β3分别为27度和35度。在另一个例子中，为了实现顺时钟螺旋扫描图案504，第一轮廓202的第一俯仰角α1和第一偏航角β1分别为40度和32度，第二轮廓204的第二俯仰角α2和第二偏航角β2分别为43度和27度。此外，第三轮廓206的第三俯仰角α3和第三偏航角β3分别为47度和45度。通过改变多个轮廓中的每个轮廓的俯仰角和偏航角，操纵多个轮廓的排列来改变扫描图案。

虽然图5示出了光栅扫描图案502和顺时钟螺旋扫描图案504，但本公开的范围并不局限于此。在其他各种实施例中，光束扫描系统100可以使用本领域技术人员显而易见的各种扫描图案来扫描第二所需的目标区域，而不会偏离本公开的范围。

图6是示出了根据本公开的一个实施例的第三所需的目标区域602的俯视图600的示意图。

通过将第三所需的目标区域602划分为第一子区域604、第二子区域606、第三子区域608和第四子区域610来扫描第三所需的目标区域602。从第一输出端口P1发出的光束导致第一光束阵列的发射，从而以第一扫描图案612扫描第一子区段604。此外，从第二输出端口P2发出的光束会导致第二阵列光束的发射，从而以第二扫描图案614扫描第二子截面606。同样，第三子区域608和第四子区域610分别以第三扫描图案616和第四扫描图案618进行扫描。

因此，第三所需的目标区域602可以划分为任意数量的子区域。第三所需的目标区域602的子区域数量可以随机确定。此外，多个轮廓色散阵列108a-108p中的任一轮廓色散阵列可被配置为通过多个轮廓色散阵列108a-108p中的相应轮廓色散阵列发射相应阵列的光束来扫描第三所需的目标区域602的子区域，而不会偏离本公开的范围。

虽然图6示出了第一扫描图案614、第二扫描图案614、第三扫描图案616和第四扫描图案618是顺时钟螺旋扫描图案504，但本公开的范围并不局限于此。在其他各种实施例中，第一扫描图案614、第二扫描图案614、第三扫描图案616和第四扫描图案618可以是本领域技术人员显而易见的各种扫描图案中的任何扫描图案，而不会偏离本公开的范围。

图7示出了根据本公开的另一个实施例的光束扫描系统100的示意图。光束扫描系统100可以包括光源102、第一光谱色散元件106a和第一轮廓色散阵列108a。

光源102可配置为发射光束。第一光谱色散元件106a可以耦合到光源102。第一光谱色散元件106a可配置为接收光束。第一光谱色散元件106a可进一步将光束色散为第一多个子波段光。第一轮廓色散阵列108a可以耦合到第一光谱色散元件106a。第一轮廓色散阵列108a可以配置为接收第一多个子波段光。第一轮廓色散阵列108a包括第一多个轮廓色散元件110a-110m。第一多个轮廓色散元件110a-110m可以配置为接收第一多个长子波段光，这样第一轮廓色散元件110a接收第一子波段的光，第二轮廓色散元件110b接收第二子波段的光，而第m轮廓色散元件110m接收第m子波段的光。第一多个轮廓色散元件110a-110m中的每个轮廓色散元件可配置为折射接收到的子波段的光，从而使第一轮廓色散阵列108a发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

图7的光束扫描系统100所扫描的所需的目标区域小于图1的光束扫描系统100所扫描的所需的目标区域，因为图7的光束扫描系统100不包括光开关104、第二至第p光谱色散元件106b-106p和第二至第p轮廓色散阵列108b-108p。

图8是示出了根据本公开的另一个实施例的光束扫描系统100的示意图。光束扫描系统100可以包括光源102、光开关104和光谱色散阵列106。

光源102可配置为发射光束。光源102发出的光束可提供给光开关104。光开关104可以耦合到光源102。此外，光开关104可配置为接收来自光源102的光束。光开关104具有多个输出端口P1-Pp。光开关104可进一步配置为接收来自外部控制器(未显示)的控制信号，并根据接收到的控制信号从多个输出端口P1-Pp中选择一个输出端口。光开关104可进一步配置为将从光源102接收到的光束引导到选定的输出端口，并从多个输出端口P1-Pp中选定的输出端口发射光束。光谱色散阵列106可以耦合到光开关104。光谱色散阵列106可配置为接收来自光开关104的相应输出端口的光束。光谱色散阵列106包括多个光谱色散元件106a-106p。多个光谱色散元件106a-106p中的每个光谱色散元件平行连接到多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口。因此，第一频谱色散元件106a可以平行连接到第一输出端口P1。此外，第一光谱色散元件106a可配置为接收来自第一输出端口P1的光束。第一光谱色散元件106a可进一步配置为以不同角度折射光束中的不同波长(即全波长光谱)，从而将光束色散为第一多个子波带的光以扫描所需的目标区域。

图8的光束扫描系统100扫描的预期目标区域小于图1的光束扫描系统100扫描的所需的目标区域，因为图8的光束扫描系统100不包括多个轮廓色散阵列108。如果光谱色散阵列106发射的光的子波段数量等于第一轮廓色散阵列108a发射的光束阵列中的光束数，则图8的光束扫描系统100扫描的所需的目标区域可能与图7的光束扫描系统100扫描的所需的目标区域相似。

图9A、9B和9C是示出了根据本公开的一个实施例的图1的光束扫描系统100的光束扫描方法的流程图900。在902，光源102发射光束。在904，光开关104接收光源102发出的光束。在906，光开关104接收来自外部控制器的控制信号。在908，光开关104根据控制信号选择多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口以输出光束。在910，光开关104将光束导向根据控制信号选择的多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口。在912，光开关104从多个输出端口P1-Pp的相应输出端口发出导向光束。在914，光谱色散阵列106的多个光谱色散元件106a-106p中的相应光谱色散元件接收来自多个输出端口P1-Pp中的相应输出端口的光束。在916，相应的光谱色散元件将光束色散成多个子波段光。在918，多个轮廓色散阵列108a-108p中的相应轮廓色散阵列的多个轮廓色散元件的相应轮廓色散元件接收多个子波段光中的相应子波段光。在920，多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件折射相应的子波段的光，从而使相应的轮廓色散阵列发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

光束扫描系统100是一种固态系统，没有活动部件，因此与使用机械部件实现的光束扫描系统相比，不易出现可靠性问题和振动影响。与使用机械部件实现的传统光束扫描系统相比，光束扫描系统100结构紧凑。与使用机械组件实现的传统光束扫描系统相比，光束扫描系统100的尺寸更小。此外，由于光束扫描系统100没有采用功率分配器，因此光束扫描系统100使用的是低功率光源。因此，与其他使用大功率光源的传统固态光束扫描系统相比，光束扫描系统100的光学损耗较低。图1中的光束扫描系统100可用于土地测量的LIDAR系统中，为自动驾驶汽车提供自驾指示，检查电力线路以进行维护，以及扫描森林和农田。

本公开中提到的耦合是指光学耦合、机械耦合、电学耦合、电磁耦合或其组合。

在权利要求中，“包括”、“包含”和“具有”等词并不排除除权利要求中所列要素或步骤外，还存在其他要素或步骤。本文使用的术语“a”或“an”被定义为一个或一个以上。除非另有说明，“第一”和“第二”等术语用于随意区分这些术语所描述的要素。因此，这些术语并不一定表示这些要素在时间上或其他方面的优先性。某些措施在相互不同的权利要求中被提及的事实并不表明这些措施的组合不能发挥优势。

虽然上文已经描述了所公开系统和方法的各种示例性实施例，但应理解，这些实施例仅用于示例，而非限制。这并不是详尽无遗的，也不将所公开的内容局限于所公开的确切形式。对于本领域的技术人员来说，在不背离本公开的精神和范围的前提下，许多修改、变化、变体、替代和等价物都是显而易见的。

Claims (20)

1.一种光束扫描系统，包括：

光源，被配置为发射光束；

光开关，与所述光源耦合并具有多个输出端口，其中所述光开关被配置为接收所述光束，将所述光束引导至多个所述输出端口中的第一输出端口，并从所述第一输出端口发射所述光束；

光谱色散阵列，包括多个光谱色散元件，其中多个所述光谱色散元件中的每个光谱色散元件与多个所述输出端口中的相应输出端口耦合，以及其中多个所述光谱色散元件中的第一光谱色散元件被配置为接收来自所述光开关的所述第一输出端口的光束，并将所述光束色散为多个子波段光；以及

多个轮廓色散阵列，其中多个所述轮廓色散阵列中的每个轮廓色散阵列与所述光谱色散阵列中的相应光谱色散元件相关联，其中多个所述轮廓色散阵列中的第一轮廓色散阵列包括多个轮廓色散元件，其中，多个所述轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件被配置为接收和折射多个所述子波段光中的相应子波段光，以便所述第一轮廓色散阵列发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

2.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光源是波长可调光源。

3.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光开关被进一步配置为接收控制信号，以及根据所述控制信号选择所述第一输出端口以输出所述光束。

4.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光源发出的所述光束是全波长光谱。

5.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光开关中输出端口的数量等于所述光谱色散阵列中的光谱色散元件的数量和多个所述轮廓色散阵列中的轮廓色散阵列的数量。

6.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中多个所述子波段光的子波段光的数量等于多个所述轮廓色散阵列的轮廓色散阵列中的轮廓色散元件的数量。

7.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中多个轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件都包括多个轮廓，使得多个所述轮廓中的每个轮廓都具有相应的偏航角和相应的俯仰角。

8.根据权利要求7所述的光束扫描系统，其中多个所述轮廓中的每个轮廓同时向所述子波段光提供相应的折射角，从而使多个所述轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件同时发射相应的多个折射光束，其中所述光束阵列包括从每个所述轮廓色散元件发射的相应的多个折射光束。

9.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中多个所述子波段光是连续的子波段光。

10.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光束根据所述光谱色散阵列与多个所述轮廓色散阵列之间的光路距离进行色散。

11.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其中所述光开关是自由空间光开关、光纤开关、基于硅光子学的光开关、基于III-V族的光开关，以及其中所述光开关还包括增益元件。

12.一种光束扫描系统，包括：

光源，被配置为发射光束；

光谱色散元件，与所述光源耦合，其中所述光谱色散元件被配置为接收所述光束并将所述光束色散为多个子波带光；以及

轮廓色散阵列，与所述光谱色散元件耦合，其中所述轮廓色散阵列包括多个轮廓色散元件，多个所述轮廓色散元件中的每个所述轮廓色散元件被配置为接收和折射多个所述子波段光中的相应子波段光，使得所述轮廓色散阵列发射光束阵列来扫描所需的目标区域。

13.根据权利要求12所述的光束扫描系统，其中所述光源是波长可调光源，以及其中所述光源发出的所述光束是全波长光谱。

14.根据权利要求12所述的光束扫描系统，其中多个所述子波段光的子波段光的总数量等于所述轮廓色散阵列中的所述轮廓色散元件的总数量。

15.根据权利要求12所述的光束扫描系统，其中多个所述轮廓色散元件中的每个轮廓色散元件包括多个轮廓，使得多个所述轮廓中的每个所述轮廓具有相应的偏航角和相应的俯仰角。

16.根据权利要求15所述的光束扫描系统，其中多个所述轮廓中的每个所述轮廓同时为接收到的所述子波段光提供相应的折射角，使得多个所述轮廓色散元件中的每个所述轮廓色散元件同时发射相应的多个折射光束，以及其中所述光束阵列包括从每个所述轮廓色散元件发射的相应的多个折射光束。

17.根据权利要求12所述的光束扫描系统，其中所述光束根据所述光谱色散元件与所述轮廓色散阵列之间的光路距离进行色散。

18.一种光束扫描系统，包括：

光源，被配置为发射光束；

光开关，耦合到所述光源，其中所述光开关包括多个输出端口，并配置为接收所述光束，将所述光束引导到多个所述输出端口中的第一输出端口，以及从相应的输出端口发射所述光束；以及

光谱色散阵列，包括多个光谱色散元件，其中多个所述光谱色散元件中的每个光谱色散元件与多个所述输出端口中的相应输出端口耦合，以及其中多个所述光谱色散元件中的第一光谱色散元件被配置为接收来自所述光开关的所述第一输出端口的所述光束，并将所述光束色散为多个子波带光，以扫描所需的目标区域。

19.根据权利要求18所述的光束扫描系统，其中所述光源是波长可调光源，以及其中所述光源发出的所述光束是全波长光谱。

20.根据权利要求18所述的光束扫描系统，其中所述光开关进一步配置为接收控制信号，以及根据所述控制信号选择所述第一输出端口以输出所述光束，以及其中所述光开关中的输出端口的总数量等于所述光谱色散阵列中的所述光谱色散元件的总数量。