CN217034466U - 一种全固态光学相控阵及激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种全固态光学相控阵及激光雷达装置，其中，该全固态光学相控阵包括：超表面光栅、位移控制模块、反射层、第一电极层及第二电极层；超表面光栅用于将从远离反射层一侧射入超表面光栅中的光衍射向反射层，并将从靠近反射层一侧射入超表面光栅中的光，由远离反射层的一侧射出；反射层用于将超表面光栅衍射在其表面的光反射向超表面光栅；第一电极层和第二电极层用于对位移控制模块加载电压，位移控制模块能够根据所加载的电压改变超表面光栅与反射层之间的距离。通过本实用新型实施例提供的全固态光学相控阵，可以基于超表面光栅和反射层之间腔长的变化调节反射光线角度；不易受重力震动等影响，效果稳定，加工工艺简单。

Description

一种全固态光学相控阵及激光雷达装置

技术领域

本实用新型涉及光学相控阵技术领域，具体而言，涉及一种全固态光学相控阵及激光雷达装置。

背景技术

针对不同的应用方向，光学相控阵技术发展出了液晶、MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)、光波导等多种器件和技术方案，在激光雷达、空间光通信以及高亮度激光产生等众多领用领域获得了应用。

目前，基于MEMS的光学相控阵列较为常见，其是通过MEMS 结构调节两个镜面间的光程差，从而实现特定的相位差。但是，基于 MEMS的光学相控阵加工难度高，MEMS结构也易受冲击和震动的影响，稳定性较差，且MEMS结构所采用的是静电驱动，驱动位移有限。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种全固态光学相控阵。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种全固态光学相控阵，包括：超表面光栅、位移控制模块、反射层、第一电极层以及第二电极层；所述位移控制模块的两侧分别平行设置有所述超表面光栅和所述反射层，在所述超表面光栅与所述位移控制模块之间设置有所述第一电极层；在所述位移控制模块和所述反射层之间设置有所述第二电极层；所述位移控制模块、所述第一电极层以及第二电极层在工作波段透明；所述超表面光栅用于将从远离所述反射层一侧射入所述超表面光栅中的光衍射向所述反射层，并将从靠近所述反射层一侧射入所述超表面光栅中的光，由远离所述反射层的一侧射出；所述反射层用于将所述超表面光栅衍射在其表面的光反射向所述超表面光栅；所述第一电极层和所述第二电极层用于对所述位移控制模块加载电压，所述位移控制模块能够根据所加载的电压改变所述超表面光栅与所述反射层之间的距离。

可选地，在所加载的电压发生变化时，所述位移控制模块的厚度能够相应改变。

可选地，超表面光栅包括一维光栅或者二维光栅。

可选地，反射层包括金属层或者布拉格反射镜。

可选地，位移控制模块包括压电陶瓷、磁致伸缩位移器件或者电致伸缩位移器件。

可选地，第一电极层与所述第二电极层为氧化铟锡。

可选地，超表面光栅所调制的光为红外光。

可选地，超表面光栅包括：纳米结构以及填充在所述纳米结构周围的填充材料；所述纳米结构用于对射入所述超表面光栅中的光进行调制；所述填充材料为在工作波段透明或半透明材料，且所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于 0.5。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达装置，包括：如上述任一所述的全固态光学相控阵、激光光源、接收装置以及处理装置；所述全固态光学相控阵用于将所述激光光源发射的激光反射至目标；所述接收装置用于接收从所述目标反射的光，得到探测数据；所述处理装置与所述全固态光学相控阵和所述接收装置通信耦接，用于对所述接收装置得到的探测数据进行处理。

可选地，全固态光学相控阵的个数为多个。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，采用全固态光学相控阵，基于超表面光栅和反射层之间腔长的变化，调节超表面光栅和反射层之间的光程差，从而实现相位差的改变，最终改变反射光线的角度。该全固态光学相控阵不易受重力震动等外界因素影响，效果稳定，加工工艺简单；并且，该全固态光学相控阵对于相位的调控可以实现0到2π的全覆盖。

本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，激光雷达装置由于使用了全固态光学相控阵，不易受重力震动等外界因素影响；且该激光雷达装置所发射向目标的光线角度可调，能够更加准确地对目标的信息进行探测。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种全固态光学相控阵的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵中，位移控制模块处于原始厚度d₁时，该全固态光学相控阵对光束的反射示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵中，位移控制模块被施加电压后其原始厚度变大至d₂时，该全固态光学相控阵对光束的反射示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵中，超表面光栅为一维光栅的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵中，超表面光栅为二维光栅的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵中，一种超表面光栅的结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的一种激光雷达装置。

图标：

1-超表面光栅、2-位移控制模块、3-反射层、4-第一电极层、5-第二电极层、6全固态光学相控阵、7-激光光源、8-接收装置、9-处理装置、11-纳米结构、12-填充材料。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种全固态光学相控阵，参见图1所示，该全固态光学相控阵包括：超表面光栅1、位移控制模块2、反射层3、第一电极层4以及第二电极层5；位移控制模块2的两侧分别平行设置有超表面光栅1和反射层3，在超表面光栅1与位移控制模块2之间设置有第一电极层4；在位移控制模块2和反射层3之间设置有第二电极层5；位移控制模块2、第一电极层4以及第二电极层5在工作波段透明。以图1中位于超表面光栅1上侧处的模块用来表示外界光源为例示出，且该外界光源与图7中激光光源7是同一个光源，即图1中超表面光栅1的上侧为外界光源射入光束的一侧(如入光侧)，且图1中实线用于表示外界光源射入该全固态光学相控阵的入射光线，虚线表示该入射光线在该全固态光学相控阵中传播的路线，以及最终射出该全固态光学相控阵的出射光线。

如图1所示，超表面光栅1用于将从远离反射层3一侧射入超表面光栅1中的光衍射向反射层3，并将从靠近反射层3一侧射入超表面光栅1中的光，由远离反射层3的一侧射出；反射层3用于将超表面光栅1衍射在其表面的光反射向超表面光栅1；第一电极层4和第二电极层5用于对位移控制模块2加载电压，位移控制模块2能够根据所加载的电压改变超表面光栅1与反射层3之间的距离。

如图1所示，在本实用新型实施例提出的全固态光学相控阵中，由上至下各结构层依次为超表面光栅1、第一电极层4、位移控制模块 2、第二电极层5和反射层3，该5种结构层互相平行且两两相互贴靠设置，形成一整体结构；超表面光栅1与反射层3之间能够构成谐振腔，该谐振腔是能够使光束在其中反射的空腔。因此，为使该超表面光栅1与反射层3之间所构成的谐振腔能够实现光束在其中反射，在该全固态光学相控阵中，设置于超表面光栅1与反射层3之间的第一电极层4、位移控制模块2以及第二电极层5应是在工作波段为透明的结构层，即上述结构层均对工作波段的光线具有高透过率。其中，上述结构层的工作波段是超表面光栅1所需调制的光所对应的工作波段，换句话说，该工作波段也可以是外界光源发出光线所包含的波段。可选地，超表面光栅1所调制的光为红外光。即该超表面光栅1的工作波段为红外光对应的波段，如外界光源所发射的光为红外光。由于超表面光栅的周期通常是400nm～900nm，其光谱范围更适用于红外光，因此，本实用新型实施例采用红外光作为超表面光栅1所调制的光，利用超表面光栅1与红外光更加适配的特点，可以在激光雷达应用中得到更好的运用。

在本实用新型实施例提出的全固态光学相控阵中，在外界光源将光束射向超表面光栅1的情况下，即在光束由该超表面光栅1远离反射层3的一侧(图1中该超表面光栅1的上侧)射入的情况下，该光束的传播路径是：首先，该光束可以经该超表面光栅1的调制，由该超表面光栅1靠近反射层3的一侧(图1中超表面光栅1的下侧)射出，并向反射层3进行衍射；之后，由该反射层3将经过该超表面光栅1调制且衍射至其表面(图1中该反射层3的上侧)的光反射回该超表面光栅1靠近该反射层3的一侧(图1中超表面光栅1的下侧)；最后，由反射层3反射至该超表面光栅1的光束能再次被该超表面光栅1调制，并从该超表面光栅1远离反射层3的一侧(图1中该超表面光栅1的上侧)射出，以形成外界光源所发射向超表面光栅1的光最终还能被该超表面光栅1所反射的效果。

本实用新型实施例中，由于需要实现将外界光源所发射至超表面光栅1上的光束以可调控的角度进行反射，因此，利用在位移控制模块2的两侧所分别设置的第一电极层4和第二电极层5，通过这两个电极层对该位移控制模块2施加电压，能够使该位移控制模块2改变超表面光栅1与反射层3之间的距离，从而改变从远离反射层3一侧所射入超表面光栅1的光束在该超表面光栅1与反射层3之间所构成的谐振腔中的光程差，进而引起该光束最终由该超表面光栅1反射出去时的相位差的变化，最终实现对反射光束角度的改变。

本实用新型实施例采用全固态光学相控阵，基于超表面光栅1和反射层3之间腔长的变化，调节超表面光栅1和反射层3之间的光程差，从而实现相位差的改变，最终改变反射光线的角度。该全固态光学相控阵不易受重力震动等外界因素影响，效果稳定，加工工艺简单；并且，该全固态光学相控阵对于相位的调控可以实现0到2π的全覆盖。

可选地，在所加载的电压发生变化时，位移控制模块2的厚度能够相应改变。

本实用新型实施例中，加载在位移控制模块2上的电压与该位移控制模块2自身的厚度有相对应的关系，当加载在位移控制模块2上的电压发生变化时，该位移控制模块2自身的厚度也会相应地产生变化，如厚度由原始厚度变得更厚，或由原始厚度变得更薄。可选地，位移控制模块2包括压电陶瓷、磁致伸缩位移器件或者电致伸缩位移器件。上述几种可作为位移控制模块2的器件均具有在接受到加载电压时可以自由伸缩(或膨胀)的特性，进而使该位移控制模块2自身的厚度发生改变，从而调整超表面光栅1与反射层3之间的距离。

参见图2和图3所示，图2为位移控制模块2处于原始厚度d₁时，该全固态光学相控阵对光束的反射示意图；图3为位移控制模块 2被施加电压后其厚度变大至d₂时，该全固态光学相控阵对光束的反射示意图。其中，当第一电极层4和第二电极层5对位移控制模块2施加一定电压时，该位移控制模块2的厚度将会产生变化，例如，该位移控制模块2厚度的变化量Δd越大，如变厚的程度(即Δd＝d₂-d₁) 越大，或者变薄的程度(即Δd＝d1-d2)越大。参见图3所示，在该位移控制模块2厚度的变化量Δd越大(变得更厚)的情况下，该超表面光栅1与反射层3之间的距离d也变得更大(如距离d由d₁增大为 d₂)，基于超表面光栅1与反射层3之间光程差Δl，与入射光(由该超表面光栅1远离反射层3一侧射入的光)和超表面光栅1的夹角θ之间关系的公式：

可知，该超表面光栅1与反射层3之间的光程差也相应变大；进一步可以根据相位差Δφ与光程差Δl之间关系的公式：

可知，从该超表面光栅1远离反射层3的一侧(图2或图3中超表面光栅1的上侧)射入该超表面光栅1的光的相位差此时也相应变大，最终使射向远离反射层3的一侧(图2中超表面光栅1 的上侧)的光的偏转程度变大。或者，在该位移控制模块2厚度的变化量Δd越大(变得更厚)的情况下，同理也可以实现使射向远离反射层3的一侧(图2中超表面光栅1的上侧)的光的偏转程度变大，此处不再赘述。图2或图3中实线表示外界光源射入该全固态光学相控阵的入射光线，虚线表示该入射光线经过该全固态光学相控阵的各个结构层之后，最终从该全固态光学相控阵反射的出射光线。本实用新型实施例为使图2或图3更加简便清晰，在该图2或图3中仅示出入射光线和出射光线，该光线在该全固态光学相控阵内部的传播路线实际上与图1所示一致。

本实用新型实施例所提供的全固态光学相控阵，利用位移控制模块2在被施加电压的情况下，能够通过自身特性改变自身厚度，进而使超表面光栅1与反射层3之间的腔长发生改变，以调整由超表面光栅1远离反射层3一侧所射出的光束的角度。该全固态光学相控阵不易受重力震动等外界因素影响，效果稳定；并且，由于该位移控制模块2自身厚度的变化所能引起的腔长变化范围更大，该全固态光学相控阵对相位的调控可以实现0到2π的全覆盖。

可选地，超表面光栅1包括一维光栅或者二维光栅。

其中，可以根据实际情况选择不同形式的超表面光栅1设置在该全固态光学相控阵中，如可以根据加工工艺或者设置需求，选取一维光栅作为超表面光栅1，如图4所示；或者也可以选取二维光栅作为超表面光栅1，如图5所示。本实用新型实施例可以使超表面光栅1 的设计形式有多种选择，可以与更多的应用场景兼容。

可选地，反射层3包括金属层或者布拉格反射镜。

其中，可以选择金属层或者布拉格反射镜作为该全固态光学相控阵中所使用的反射层3。由于金属层是导体层，当使用金属层作为反射层3时，可以将超表面光栅1衍射至其表面的光更好地进行反射；并且，本实用新型实施例还可以选取对光的反射率较高的金属材质作为反射层3，即在该全固态光学相控阵中使用具有高反射能力的反射层3，如选择铁或铜等金属材质作为反射层3，以增强对超表面光栅1 衍射至其表面的光的反射效果。或者，在选用布拉格反射镜作为该全固态光学相控阵中的反射层3的情况下，该布拉格反射镜可以通过设置其内在不同层的折射率或者是厚度，可以选择性调节对哪个波长的光进行增强反射，如红外光等，使得该全固态光学相控阵对光的反射效果更好。

可选地，第一电极层4与第二电极层5为氧化铟锡。

其中，用于作为第一电极层4与第二电极层5的材料可以是氧化铟锡(ITO，Indiumtin oxide)，其是一种N型氧化物半导体，并且，其作为纳米铟锡金属氧化物可以具有很好的导电性，比较适用于制作成电极层设置于本实用新型实施例的位移控制模块2的两侧，用于对该位移控制模块2施加电压。

可选地，参见图6所示，超表面光栅1包括：纳米结构11以及填充在纳米结构11周围的填充材料12；纳米结构11用于对射入超表面光栅1中的光进行调制；填充材料12为在工作波段透明或半透明材料，且填充材料12的折射率与纳米结构11的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

如图6所示，在该超表面光栅1的工作波段，其所包括的每一个纳米结构11是透明的，即对工作波段的光线具有高透过率；例如，若将该超表面光栅1用于激光雷达装置，则该工作波段可以为红外波段。其中，超表面光栅1除包括纳米结构11以外，还包括填充在纳米结构 11周围的填充材料12。该纳米结构11可以对射入的光束进行整形调制，例如，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性，且该纳米结构 11为全介质结构单元。该纳米结构11所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。而填充在该纳米结构11周围的填充材料12 也是一种在工作波段透明或半透明的材料，即该填充材料12对工作波段的光线(如红外光)具有高透过率或透过率位于40％～60％之间，以能够保护纳米级的纳米结构11。该填充材料12的折射率与纳米结构11的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5，以避免填充材料 12影响光线调制效果。

本实用新型实施例还提供一种激光雷达装置，参见图7所示，包括：上述任一实施例提供的全固态光学相控阵6、激光光源7、接收装置8以及处理装置9。该激光雷达装置可用于探测全固态光学相控阵 6出光方向(如图7中激光光源7所在的一侧)对应的环境中所具有的目标，图7中用小轿车表示目标。其中，全固态光学相控阵6用于将激光光源7发射的激光反射至目标；接收装置8用于接收从目标反射的光，得到探测数据；处理装置9与全固态光学相控阵6和接收装置8通信耦接，用于对接收装置8得到的探测数据进行处理。

本实用新型实施例中，在上述任一种实施例提供的全固态光学相控阵6的基础上，结合激光光源7、接收装置8以及处理装置9，均可分别生成激光雷达装置。在该激光雷达装置中，处理装置9用于连接和控制全固态光学相控阵6，令全固态光学相控阵6可以调整激光光源7所发射的光线，使光线以更适合的角度向目标(如图7中小轿车) 投射；或者，在本激光雷达装置中也可以令该处理装置9来控制加载在全固态光学相控阵6上的电压。此外，该处理装置9还用于与接收装置8通信耦接，可以将接收装置8所得到的探测数据进行处理；其中，该接收装置8所得到的探测数据是通过接收目标所反射的光而进一步得到的数据，且该处理装置9所进行的处理过程属于现有技术，本实用新型实施例并未对该处理装置9所能使用的方法进行改进。

本实用新型实施例所提供的激光雷达装置由于使用了全固态光学相控阵6，不易受重力震动等外界因素影响；且该激光雷达装置所发射向目标的光线角度可调，能够更加准确地对目标的信息进行探测。

可选地，全固态光学相控阵6的个数为多个。

本实用新型实施例提出的激光雷达装置中，该全固态光学相控阵 6可以是由多个全固态光学相控阵6组成的阵列，以满足同时向更大面积的目标或更多目标进行光线的发射，并达到对目标进行扫描的效果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种全固态光学相控阵，其特征在于，包括：超表面光栅(1)、位移控制模块(2)、反射层(3)、第一电极层(4)以及第二电极层(5)；所述位移控制模块(2)的两侧分别平行设置有所述超表面光栅(1)和所述反射层(3)，在所述超表面光栅(1)与所述位移控制模块(2)之间设置有所述第一电极层(4)；在所述位移控制模块(2)和所述反射层(3)之间设置有所述第二电极层(5)；所述位移控制模块(2)、所述第一电极层(4)以及第二电极层(5)在工作波段透明；

所述超表面光栅(1)用于将从远离所述反射层(3)一侧射入所述超表面光栅(1)中的光衍射向所述反射层(3)，并将从靠近所述反射层(3)一侧射入所述超表面光栅(1)中的光，由远离所述反射层(3)的一侧射出；

所述反射层(3)用于将所述超表面光栅(1)衍射在其表面的光反射向所述超表面光栅(1)；

所述第一电极层(4)和所述第二电极层(5)用于对所述位移控制模块(2)加载电压，所述位移控制模块(2)能够根据所加载的电压改变所述超表面光栅(1)与所述反射层(3)之间的距离。

2.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，在所加载的电压发生变化时，所述位移控制模块(2)的厚度能够相应改变。

3.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述超表面光栅(1)包括一维光栅或者二维光栅。

4.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述反射层(3)包括金属层或者布拉格反射镜。

5.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述位移控制模块(2)包括压电陶瓷、磁致伸缩位移器件或者电致伸缩位移器件。

6.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述第一电极层(4)与所述第二电极层(5)为氧化铟锡。

7.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述超表面光栅(1)所调制的光为红外光。

8.根据权利要求1所述的全固态光学相控阵，其特征在于，所述超表面光栅(1)包括：纳米结构(11)以及填充在所述纳米结构(11)周围的填充材料(12)；

所述纳米结构(11)用于对射入所述超表面光栅(1)中的光进行调制；所述填充材料(12)为在工作波段透明或半透明材料，且所述填充材料(12)的折射率与所述纳米结构(11)的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

9.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一所述的全固态光学相控阵(6)、激光光源(7)、接收装置(8)以及处理装置(9)；

所述全固态光学相控阵(6)用于将所述激光光源(7)发射的激光反射至目标；

所述接收装置(8)用于接收从所述目标反射的光，得到探测数据；

所述处理装置(9)与所述全固态光学相控阵(6)和所述接收装置(8)通信耦接，用于对所述接收装置(8)得到的探测数据进行处理。

10.根据权利要求9所述的激光雷达装置，其特征在于，所述全固态光学相控阵(6)的个数为多个。

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