TWI816259B - 光轉向裝置與光學雷達 - Google Patents
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Abstract
本申請提供一種光轉向裝置，其包括：第一電極層，用於接收第一電壓；第二電極層，用於接收第二電壓；光轉向層，設於所述第一電極層和所述第二電極層之間；其中，所述第一電極層還用於接收並反射一雷射光束，所述第一電極層在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下產生形變以調整所述雷射光束的反射角；所述光轉向層在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下改變所述雷射光束的傳播方向。本申請還提供一種光學雷達。
Description
本申請涉及光學領域，尤其涉及一種光學雷達。
習知的光學雷達，多使用微電機系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)雷達替代傳統的機械式雷達，以減小體積。所述MEMS雷達包括雷射源、MEMS振鏡、接收端等元件，其中MEMS振鏡包括MEMS控制電路、搖臂和反射元件等結構，用於將雷射源發出的雷射光束以不同的角度反射出去，從而實現對不同的方向進行掃描的效果。然而，由於MEMS振鏡整體的體積較大，若想將光學雷達整合進車輛中，仍需要進一步減小體積。並且由於MEMS振鏡轉動時僅由一搖臂結構支撐所述反射元件，若應用於車輛中，存在受行駛時產生的振動引發的斷裂風險。
本申請一方面提供一種光轉向裝置，其包括：第一電極層，用於接收第一電壓；第二電極層，用於接收第二電壓；光轉向層，設於所述第一電極層和所述第二電極層之間；其中，所述第一電極層還用於接收並反射一雷射光束，所述第一電極層在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下產生形變以調整所述雷射光束的反射角；所述光轉向層在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下改變所述雷射光束的傳播方向。
在一實施例中，所述光轉向層的折射率在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下發生改變，以改變所述雷射光束的傳播方向。
在一實施例中，所述光轉向層的材料為電光材料，其折射率隨施加在兩側的電壓連續變化。
在一實施例中，所述電光材料包括非線性電光材料和線性電光材料的至少一種。
在一實施例中，所述第一電極層的材料為金屬。
在一實施例中，所述第二電極層的材料為透明導電氧化物。
在一實施例中，所述光轉向裝置還包括一散熱基板，所述散熱基板設於所述第一電極層遠離所述第二點基層的一側，用於對所述第一電極層進行散熱。
在一實施例中，所述第一電壓為陽極電壓，所述第二電壓為陰極電壓。
本申請提供的光轉向裝置，藉由設置光轉向層，可以利用電光材料的電光效應，藉由改變折射率直接改變雷射光束的反射角度，從而實現調節光學雷達對不同方向進行掃描的效果，有利於減小光學雷達的體積，並且光路簡單，可以有效降低光功率損耗。藉由設置第一電極層，其與光轉向層接觸的表面可以在第一電壓和第二電壓的作用下快速發生形變，從而快速改變雷射光束的傳播方向。
本申請另一方面提供一種光學雷達，其包括：雷射光源，用於發出一雷射光束；上述的光轉向裝置，用於接收並出射所述雷射光束；光探測器，用於接收反射光並根據所述反射光產生感應信號，所述反射光為所述雷射光束遇到外部物體後反射回的光線；及控制器，分別與所述第一電極層、所述第二電極層及所述光探測器電連接，用於調節所述第一電壓和所述第二電壓，以控制所述光轉向裝置根據所述第一電壓和所述第二電壓調節所述雷射光束的反射角，並用於根據所述感應信號計算所述外部物體相對於所述光學雷達的方位和距離。
在一實施例中，所述光學雷達還包括：發射裝置，用於接收所述光轉向裝置出射的所述雷射光束，並將其出射至所述光學雷達的外部；接收裝置，用於接收所述反射光，並將所述反射光引導至所述光探測器。
在一實施例中，所述發射裝置包括光學透鏡或光學透鏡組，所述接收裝置包括光學透鏡或光學透鏡組。
本申請實施例提供的光學雷達，藉由設置上述光轉向裝置，可以利用電光材料的電光效應，藉由改變折射率直接改變雷射光束的反射角度，從而實現調節光學雷達對不同方向進行掃描的效果，有利於減小光學雷達的體積，並且光路簡單，可以有效降低光功率損耗。同時，由於光轉向裝置不需要對元件本身進行機械傳動，可以避免由於機械傳動造成的硬件損傷，從而提高光學雷達的使用壽命。此外，藉由設置第一電極層在第一電壓和第二電壓的作用下形變，可以快速改變雷射光束的反射角，提高光學雷達的掃描效率。
100:光學雷達
10:雷射源
30:光轉向裝置
50:發射裝置
60:接收裝置
70:光探測器
90:控制器
31:散熱基板
33:第一電極層
35:光轉向層
37:第二電極層
θ:反射角
α、β:出射角度
A:外部物體
L、L1、L2、L3:雷射光束
圖1為本申請一實施例的光學雷達的結構示意圖。
圖2為圖1所示光學雷達中光轉向裝置的結構示意圖。
圖3為圖1所示光學雷達的工作原理示意圖。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請的一部分實施例，而不是全部的實施例。
除非另有定義，本申請所使用的所有的技術和科學術語與屬於本申請的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。在本申請的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本申請。
為能進一步闡述本發明達成預定目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施方式，對本申請作出如下詳細說明。
本申請實施例提供一種光學雷達，請參閱圖1，光學雷達100包括雷射源10、光轉向裝置30、發射裝置50、接收裝置60、光探測器70和控制器90。其中，雷射源10用於發出雷射光束L，光轉向裝置30用於反射雷射源10發射的雷射光束L，並調節反射出的雷射光束L2的反射角θ。雷射光束L2出射後遇到外部物體會發生反射，從而反射回反射光，光探測器70用於接收所述反射光，並產生感應信號。控制器90用於控制光轉向裝置30調節雷射光束L2的反射角，並根
據光探測器70產生的感應信號分析所述外部物體相對於光學雷達100的方位和距離。具體來說，藉由控制光轉向裝置30調節雷射光束L2的反射角，光學雷達100可以對掃描範圍內不同的位置分別進行單次探測，並藉由記錄探測時反射角的角度得知外部物體的方位，藉由記錄雷射光束L2從出射到接收的時間差或相位差得知外部物體距離光學雷達100的距離。
在一實施例中，雷射光束L包括紅外波段的雷射。雷射源10可以為邊緣發射雷射器(Edge Emitting Laser，EEL)、垂直腔面發射雷射器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、固體雷射器和光纖雷射器的其中一種。
在一實施例中，雷射光束L可以為脈衝雷射，每一週期內的雷射光束L在光轉向裝置30的控制下可以發生不同程度的偏轉，從而使光學雷達100可以以較高的頻率進行掃描。
請參閱圖2，光轉向裝置30包括散熱基板31、第一電極層33、光轉向層35和第二電極層37。其中，第一電極層33用於接收第一電壓並反射雷射光束L，第二電極層37設於第一電極層33的一側，用於接收第二電壓。光轉向層35設於第一電極層33和第二電極層37之間，用於在第一電壓和第二電壓的作用下改變雷射光束L2的傳播方向。控制器90分別與第一電極層33和第二電極層37電連接，用於施加第一電壓和第二電壓。具體來說，控制器90藉由設置第一電壓與第二電壓，從而使光轉向層35的兩端存在電壓差，並藉由調整所述電壓差的大小，從而對雷射光束L2的傳播方向進行調整。其中，設光轉向層35兩端的電壓差值最小時，得到雷射光束L1，光轉向層35兩端的電壓差值最大時，得到雷射光束L3，則雷射光束L1-雷射光束L3之間的區域為雷射光束L2在第一電壓和第二電壓作用下的變化範圍，也即光學雷達100的掃描範圍。
在一實施例中，光轉向層35的材料為電光材料，其折射率在第一電壓和第二電壓的作用下發生改變，從而改變雷射光束L2的傳播方向。具體來說，當雷射光束L在第一電極層33的表面發生反射時，控制器90改變施加在光轉向層35兩端的電壓差，使光轉向層35的折射率發生改變，此時由於折射率的改變，反射出的雷射光束L2的反射角θ同時也發生改變，從而實現雷射光束L2的偏轉。
在一實施例中，光轉向層35採用的電光材料是指具有電光效應的材料，電光效應是指物質的折射率在外加電場的作用下發生變化的現象，電光
效應包括泡克爾斯效應和克爾效應。其中，折射率與外加電場強度的一次方成正比而變化的現象為泡克爾斯效應或線性電光效應；折射率與外加電場強度的二次方成正比而變化的現象為克爾效應或二次電光效應。電光效應對電信號的變化具有較高的響應效率，因此雷射光束L2的反射角θ的變化對於電信號具有較高的響應效率，因此藉由採用電光材料作為光轉向層35的材料，可以使光學雷達100在光路不變的情況下，有效的縮短單次探測的時間，從而有利於提高掃描頻率。
在一實施例中，光轉向層35採用的電光材料可以是非線性電光材料，其電光係數越大，在相同電壓下，電光材料的折射率變化越大，也即光轉向層35可以以較小的電壓實現較大的折射率變化，從而使雷射光束L2可以具有較大的偏轉角度。此外，在電壓變化頻率相同時，電光材料的電光係數越大，折射率變化的速度越快，雷射光束L2的反射角θ的變化速度越快。因此，藉由採用電光係數較大的電光材料，在相同的掃描範圍和電壓變化頻率下，可以有效地降低施加於光轉向層35兩側的電壓，並且可以進行快速掃描，也即使光學雷達100實現低壓高頻的效果。
在另一實施例中，光轉向層35採用的電光材料還可以是線性電光材料，或非線性電光材料和線性電光材料的至少一種。
在一實施例中，光轉向層35採用的電光材料具體可以是砷化鎵(GaAs)或碲化鎘(CdTe)，還可以是其他具有電光效應的晶體材料如鉀鉭鈮酸鹽(KTN)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉛鋯鈦酸鹽(PZT)等，或者可以包括具有電光特性的各種聚合物的任何一種。此外，光轉向層35還可以包括透明導電氧化物，如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁鋅氧化物、鎵鋅氧化物等的鋅氧基氧化物。
在一實施例中，光轉向層35的折射率隨施加在兩側的第一電壓和第二電壓連續變化。也即，隨著折射率的連續變化，雷射光束L2反射角θ可進行連續變化。從而使光學雷達100出射的雷射光束可以照射到掃描範圍內的任意位置。
在一實施例中，第一電極層33的材料為金屬，具體為鋁或者金。藉由採用金屬材料，可以使第一電極層33具有較好的反射效率，減小雷射光束L
的損耗。此外，金屬材料本身具有較好的散熱性，可以起到一定的散熱作用，避免由於溫度過高導致的元件損壞。
在一實施例中，在第一電壓和第二電壓的作用下，第一電極層33靠近光轉向層35一側的表面會發生形變，具體來說，第一電極層33採用的金屬材料，在第一電壓和第二電壓的作用下，其與光轉向層35接觸的表面會發生形變，此時雷射光束L2的反射角θ會由於形變而發生改變，反射角θ的變化與第一電壓和第二電壓之間的電壓差有關，因此可以藉由調節第一電壓和第二電壓來改變雷射光束L2的反射角θ。藉由採用金屬材料製成的第一電極層33，可以在第一電壓和第二電壓的作用下較快的發生形變，從而較快的改變雷射光束L2的傳播方向。
在一實施例中，第二電極層37的材料為透明導電氧化物，一方面可以作為電極向光轉向層35施加電壓，另一方面本身的透光性較好，可以使雷射光束L和雷射光束L2穿過時的損耗減小。
在一實施例中，第二電極層37採用的透明導電氧化物具體可以是氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)，由於ITO具有電阻率低，光透射率高的特點，因此作為電極可以最大程度的減小雷射光束的損耗，同時還可以降低耗電量，起到節能的效果。
在一實施例中，散熱基板31設於第一電極層33遠離第二電極層37的一側，用於對第一電極層33進行散熱。散熱基板31可以為陶瓷基板，也可以為環氧樹脂覆銅板、含矽基板等。
在一實施例中，施加於第一電極層33的第一電壓為陽極電壓，施加於第二電極層37的第二電壓為陰極電壓。由於第二電極層37為透明導電氧化物材料時，其導電機理通常為藉由材料本身的本徵缺陷或雜質缺陷提供的自由電子形成載流子，從而實現導電，因此當陰極作用於第二電極層37時，相較於陽極可以更快的向第二電極層37提供電子，從而使光轉向層35能夠較快的受到第一電壓和第二電壓的作用，提高了光轉向層35折射率轉換的靈敏性。
在一實施例中，發射裝置50用於接收光轉向裝置30反射的雷射光束L2，並將其出射至光學雷達100的外部。接收裝置60用於接收雷射光束L2照射到外部物體A後反射回的反射光，並將該反射光引導至光探測器70。
在一實施例中，發射裝置50可包括光學透鏡或透鏡組，用於將光轉向裝置30反射的雷射光束L2再一次進行偏轉，從而擴大光學雷達100的掃描範圍。接收裝置60可包括光學透鏡或光學透鏡組，用於擴大接收的範圍，可以更好的接收掃描範圍內外部物體A反射回的反射光，並傳輸至光探測器70上。
以下結合附圖對本實施例中光學雷達100的工作過程進行闡述。
請一併參閱圖2和圖3，控制器90藉由向光轉向裝置30施加第一電壓和第二電壓，使雷射光束L2具有反射角θ，並以一出射角度α透過發射裝置50出射，並在接觸到外部物體A後發生反射，反射出的光線被接收裝置60接收，並透過接收裝置60傳遞到光探測器70上，光探測器70產生一感應信號，從而使控制器90可以根據所述感應信號計算出外部物體A在出射角度α方向上與光學雷達100之間的距離。隨後控制器90改變施加於光轉向裝置30的第一電壓和第二電壓，從而改變雷射光束L2的反射角θ，使雷射光束L2以另一出射角度β透過發射裝置50出射，經過上述步驟得到外部物體A在出射角度β方向上與光學雷達100之間的距離。如此多次改變施加於光轉向裝置30的第一電壓和第二電壓，使得雷射光束L2以多個不同的出射角度出射，對掃描範圍內多個不同的位置進行探測，直至對整個掃描範圍完成探測。
本申請實施例提供的光學雷達100，藉由設置以電光材料為光轉向層35的光轉向裝置30，可以在不進行機械傳動的情況下改變透過發射裝置50出射的雷射光束L2的出射角度，從而避免藉由設置振鏡來實現光路的改變，減小了光學雷達100的體積。同時，藉由使用光轉向裝置30替代振鏡，還可以避免當光學雷達100作為車載雷達使用時，由於車體振動導致的硬體損傷，從而提高光學雷達100的使用壽命。此外，本申請實施例提供的光轉向裝置30，藉由設置第一電極層33的材料為金屬，其與光轉向層35接觸的表面可以在電壓的作用下快速發生形變，從而快速改變雷射光束L2的傳播方向，相較於採用液晶作為轉向裝置或設置振鏡，可以更快的使雷射光束L2偏轉，可以提高光學雷達100的掃描效率。
本領域具有通常知識者應當認識到，以上的實施方式僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍之內，對以上實施例所作的適當改變和變化都落在本發明要求保護的範圍之內。
100:光學雷達
10:雷射源
30:光轉向裝置
50:發射裝置
60:接收裝置
70:光探測器
90:控制器
θ:反射角
L、L1、L2、L3:雷射光束
Claims (11)
- 一種光轉向裝置，其改良在於，包括：第一電極層，用於接收第一電壓；第二電極層，用於接收第二電壓，並用於透射一雷射光束；光轉向層，設於所述第一電極層和所述第二電極層之間；其中，所述第一電極層靠近所述光轉向層的一側用於接收並反射所述雷射光束，所述第一電極層靠近所述光轉向層的一側在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下產生形變以調整所述雷射光束的反射角；所述光轉向層在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下改變所述雷射光束的傳播方向。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述光轉向層的折射率在所述第一電壓和所述第二電壓的作用下發生改變，以改變所述雷射光束的傳播方向。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述光轉向層的材料為電光材料，其折射率隨施加在兩側的電壓連續變化。
- 如請求項3所述之光轉向裝置，其中，所述電光材料包括非線性電光材料和線性電光材料的至少一種。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述第一電極層的材料為金屬。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述第二電極層的材料為透明導電氧化物。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述光轉向裝置還包括一散熱基板，所述散熱基板設於所述第一電極層遠離所述第二電極層的一側，用於對所述第一電極層進行散熱。
- 如請求項1所述之光轉向裝置，其中，所述第一電壓為陽極電壓，所述第二電壓為陰極電壓。
- 一種光學雷達，其改良在於，包括：雷射光源，用於發出一雷射光束； 如請求項1-8任意一項所述的光轉向裝置，用於接收並出射所述雷射光束；光探測器，用於接收反射光並根據所述反射光產生感應信號，所述反射光為所述雷射光束遇到外部物體後反射回的光線；及控制器，分別與所述第一電極層、所述第二電極層及所述光探測器電連接，用於調節所述第一電壓和所述第二電壓，以控制所述光轉向裝置根據所述第一電壓和所述第二電壓調節所述雷射光束的反射角，並用於根據所述感應信號計算所述外部物體相對於所述光學雷達的方位和距離。
- 如請求項9所述之光學雷達，其中，所述光學雷達還包括：發射裝置，用於接收所述光轉向裝置出射的所述雷射光束，並將其出射至所述光學雷達的外部；接收裝置，用於接收所述反射光，並將所述反射光引導至所述光探測器。
- 如請求項10所述之光學雷達，其中，所述發射裝置包括光學透鏡或光學透鏡組，所述接收裝置包括光學透鏡或光學透鏡組。
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2021
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