TWI817692B - 基於空間光調製器之光達掃描模組 - Google Patents

基於空間光調製器之光達掃描模組 Download PDF

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韓斌
鄭木海
裴靜偉
蔡宛卲
劉浚年
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國立中興大學
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一種基於空間光調製器之光達掃描模組，包含一空間光調製器，及一目鏡。該目鏡與該空間光調製器兩者間隔適當位置設置，依據該目鏡出光的一預設視場，來調變該空間光調製器的全部像素的相位，使得一入射光入射至該光達掃描模組中，經該空間光調製器與該目鏡的配合，使由該目鏡出光的一出射光達到該預定視場。

Description

基於空間光調製器之光達掃描模組
本發明是有關於一種光達掃描模組，特別是指一種基於空間光調製器之光達掃描模組。
現有例如透過光偵測進行測距的光學雷達(light detection and ranging，LiDAR)等系統已廣泛應用於例如汽車等領域。以LiDAR系統中的掃描模組來說，其光束掃瞄範圍是一重要參數指標，當掃描範圍越大便能獲取更多掃描資料，以供後續檢測判讀及相關應用。
一般LiDAR系統中多採用機械式光束導向，使其整體系統體積龐大且掃描速度慢，因此，已有發展使用空間光調製器應用於LiDAR系統中的掃描模組中，然而，空間光調製器因為結構的限制，也無法進行大角度的空間掃瞄。
因此，本發明的目的，即在提供一種基於空間光調製器之光達掃描模組。
於是，本發明基於空間光調製器之光達掃描模組包含一空間光調製器，及一目鏡(eye lens)。
該目鏡與該空間光調製器兩者間隔適當位置設置，依據該目鏡出光的一預設視場，來調變該空間光調製器的全部像素的相位，使得一入射光入射至該光達掃描模組中，經該空間光調製器與該目鏡的配合，使由該目鏡出光的一出射光達到該預定視場。
本發明之功效在於，通過調變該空間光調製器的全部像素的相位，使該空間光調製器具有稜鏡與透鏡的功能，並配合技術成熟的該目鏡，以達成平行光輸出且具有更大的空間掃瞄角度。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明基於空間光調製器之光達掃描模組包含一空間光調製器(SLM)3，及一目鏡4。具體地說，該目鏡4與該空間光調製器3間隔設置，且該目鏡4包括一場鏡41，及一透鏡42。
適用於本實施例的該空間光調製器3可選自液晶空間光調製器，或光學相位陣列(OPA)，在本實施例中，該空間光調製器3是以液晶空間光調製器為例作說明；而該目鏡4則為現有技術成熟的目鏡。
在本實施例中的光達掃描模組的設置是會讓該空間光調製器3的一成像點與該目鏡4的一前焦點重疊而構成一重疊處O，也就是圖1中光線聚焦的位置，但並不限於此，在其他實施例中，也可以不必讓該空間光調製器3的成像點與該目鏡4的前焦點重疊。
於使用時，會依據該目鏡4出光的一預設視場，來調變該空間光調製器3的全部像素的相位，使得一光源2發出的一入射光入射至該光達掃描模組中，經該空間光調製器3與該目鏡4的配合，使該目鏡4出光的一出射光達到該預定視場。
詳細而言，本發明基於空間光調製器之光達掃描模組還可進一步包括一與該空間光調製器3連接的計算單元5，該計算單元5便是能依據該目鏡4出光的該預設視場，並使用如下列公式(1)的一相位公式進行運算，其中，M為繞射級(diffraction order)，N為數列中的多項式係數(number polynomial coefficients in the series)，A i代表第i個擴展多項式的係數(coefficient on the ith extended polynomial term)，E i(x,y)多項式代表x和y的冪級數，第一項是x，然後是y，然後是x*x、x*y、y*y等。有2個1階項、3個2階項、4個3階項等，最大階數為20，這使得最多230個多項式非球面係數。
………………………………………(1)
該空間光調製器3能根據運算結果來調變全部像素的相位，使該空間光調製器3同時具有稜鏡與透鏡的功能，配合該目鏡4來達成輸出光具有更大的空間掃瞄角度，其中，各視場的相位只要計算一次後而存於一表格中，便可重複執行而不需要重覆計算。在本實施例中，較佳地掃描角度能介於0度至20度。適用於本實施例的該計算單元5可選自例如Zemax。要說明的是，該計算單元5也可不用設置，而是改以人工方式(例如透過自行撰寫程式)直接計算進而調整該空間光調製器3的像素相位。
當該光源2發出的該入射光以一入射角度入射至本實施例的光達掃描模組中，能經該空間光調製器3來改變光的視場輸出，舉例而言，以本實施例使用液晶空間光調製器為例，因此，當液晶分子受到外加電場改變而旋轉時，對入射光而言便會有不同的等效折射率，換句話說，本實施例透過該空間光調製器3調整全部像素的相位來達到輸出的要求，因此，該光源2可以不必是準直光源，可以例如是點光源。要說明的是，由於本實施例的該空間光調製器3主要具有稜鏡與透鏡的功能，因此，輸出後的光源狀態與輸入時的光源狀態通常有所不同，例如，當輸入光源為平行光軸的平行光時，其經該空間光調製器3後，可能是離軸的聚焦點。
本實施例光達掃描模組以該空間光調製器3再進一步配合該目鏡4，以圖1而言，當該光源2只輸入0度視場的平行光至該空間光調製器3後，便能透過該空間光調製器3來產生圖1中具有不同視場角度的藍光L b、綠光L g與紅光L r，要說明的是，該光源2所提供的光可以不需要是0度的平行光，可以是例如點光源，而透過該空間光調製器3來達到所需要的輸出。
圖1示意出在該空間光調製器3的綠光L g光線角度為+2度，在該空間光調製器3的藍光L b光線角度為為0度，而在該空間光調製器3的紅光L r光線角度為-2度而傳遞至該目鏡4；當圖1中示意出的三種色光經該目鏡4成一出射光出光時，其且該出光角度與該入射角度的角度差異介於0度至20度(此角度差異僅為針對圖1的實施例說明為例，並不限於此)，從圖1的該目鏡4輸出得知，該三道色光仍然是以平行光輸出，但出光角度分別為-20度(其-號表示為方向)、0度，及20度，要特別說明的是此處的角度僅為說明示意，實際上光線通過該空間光調製器3後的的光線角度會有所不同。
由此可知，本實施例的光達掃描模組的該空間光調製器3，不僅具有稜鏡的掃描功能，也具有物鏡的聚焦效果，更可以透過該目鏡4讓輸出的掃描光線為平行輸出，並同時具有更大的空間掃瞄角度，以本實施例而言，其掃描角度能達到±20度，但不限於此。
綜上所述，本發明基於空間光調製器之光達掃描模組，當該光源2發出的該入射光進入該空間光調製器3時，可透過空間光調製器3隨時間變化來調整光的輸入角度與所需的光型，並配合技術成熟的該目鏡4，在經過該目鏡4仍是以平行光輸出，但輸出角度改變而具有更大的空間掃瞄角度，使得本案的空間光調製器具有物鏡的聚焦功能，也具有稜鏡的掃描功能，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2:光源 3:空間光調製器 4:目鏡 41:場鏡 42:透鏡 5:計算單元 L g:綠光 L b:藍光 L r:紅光 O:重疊處
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明本發明基於空間光調製器之光達掃描模組的一實施例。
2:光源
3:空間光調製器
4:目鏡
41:場鏡
42:透鏡
5:計算單元
Lg:綠光
Lb:藍光
Lr:紅光
O:重疊處

Claims (7)

  1. 一種基於空間光調製器之光達掃描模組，包含：一空間光調製器；及一目鏡，與該空間光調製器間隔設置，依據該目鏡出光的一預設視場，來調變該空間光調製器的全部像素的相位，使得一入射光入射至該光達掃描模組中，經該空間光調製器與該目鏡的配合，使由該目鏡出光的一出射光達到該預定視場，其中，該空間光調製器的一成像點與該目鏡的一前焦點重疊。
  2. 如請求項1所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其中，還包括一與該空間光調製器連接的計算單元，該計算單元能依據該目鏡出光的該預設視場，並使用一相位公式進行運算，該空間光調製器能根據運算結果來調變全部像素的相位，其中，該相位公式可表示成
    Figure 111133114-A0305-02-0009-1
    ，其中，M為繞射級，N為數列中的多項式係數，Ai代表第i個擴展多項式的係數，Ei(x,y)代表x和y的冪級數。
  3. 如請求項1所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其中，一光源發出的該入射光以一入射角度入射至該光達掃描模組中，由該目鏡成具有一出光角度的該出射光離開，該出光角度與該入射角度的角度差異至少介於0度至50度。
  4. 如請求項3所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其 中，該入射光經該空間光調製器後，能隨時間改變其的視場輸出，以讓其經該目鏡出光時，使其出光角度不同於入光角度。
  5. 如請求項3所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其中，光源經該目鏡出光為平行光輸出。
  6. 如請求項1所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其中，該空間光調製器選自液晶空間光調製器，或光學相位陣列。
  7. 如請求項1所述的基於空間光調製器之光達掃描模組，其中，該目鏡包括一場鏡與一透鏡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW202129302A (zh) * 2019-08-27 2021-08-01 美商希力康燈光機械公司 用於光達應用之微機電系統相位陣列
CN113661408A (zh) * 2019-02-06 2021-11-16 洛克利光子有限公司 用于扫描lidar的光学部件

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