扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法。其中，扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。该扫描光束发射器件的控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。

【技术实现步骤摘要】
扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法
本公开属于激光雷达
，涉及一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法。
技术介绍
飞行时间型激光雷达与微波雷达类似，通过测量发射激光脉冲与接收到物体反射激光脉冲的时间差，来获取特定方位目标距离，实现对目标区域的三维重建。由于激光频率高、能量集中，激光雷达的抗电磁干扰能力强，测角、测距精度高。在现有技术中，机械扫描型激光雷达由于其扫描范围大、光损耗小而得到广泛应用，但其扫描速度慢、体积重量大、成本高。相控阵型激光雷达通过波束控制来实现灵活的光束指向，体积小、速度快。然而目前光学相控阵尚处于发展阶段，有许多关键技术问题还未解决，不能满足实际工程需求。目前相控阵型激光雷达存在如下问题：光学相控阵受限于制作工艺，辐射单元间距大于半波长时会带来栅瓣问题以及对扫描范围的限制；激光雷达进行二维扫描时对应的二维相控阵阵元控制电路复杂，导致体积大、工艺复杂、成本高、精度低，使其无法实现大面阵应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列满足：耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描，包括：当不对分束波导阵列中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的光束阵列；控制该一维光调制器阵列的输入电压，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向上进行一维扫描。在本公开的一些实施例中，扫描光束发射器件为半导体器件，其材料包括如下材料中的一种或几种：硅、砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化钢、氮化铝或者由其构成的三元/四元化合物；和/或一维光调制器阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、锗或三五族半导体；和/或输入波导、分束波导阵列和耦合分束光栅阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、氮化硅、氧化硅。在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。根据本公开的另一个方面，提供了一种激光雷达装置，包括：激光器，用于提供激光雷达光源；扫描光束发射器件，与激光器相连，用于将激光器的光分为二维分布且强度均匀的激光束阵列，并可在一维方向扫描；该扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描；接收光学系统，用于接收由目标反射的回波信号；以及阵列探测器，与接收光学系统相连，用于根据回波信号获取目标的三维图像。在本公开的一些实施例中，阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器；和/或阵列探测器的阵元数目与扫描光束发射器件的分束比一致。在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列满足：耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。根据本公开的又一个方面，提供了一种激光雷达探测方法，包括：利用扫描光束发射器件对激光进行分束，并在特定方向上进行一维扫描，获取二维分布且强度均匀的激光束阵列；向目标发射激光束阵列；接收目标反射的光学回波信号；以及将光学回波信号转换为电信号，确定目标的三维图像。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，具有以下有益效果：通过将耦合分束光栅阵列与一维光调制器阵列配合，耦合分束光栅阵列将波导中的光耦合出射至自由空间中并分为强度均匀的二维光束阵列，通过控制一维光调制器阵列实现对光相位的调制，使得二维光束阵列在特定一维方向上小范围扫描，覆盖原点阵间空隙，从而在一维方向扫描的条件下实现二维扫描的效果，控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的扫描光束发射器件的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的耦合分束光栅阵列输出的二维光束阵列，结合一维光调制器阵列的一维相控阵实现二维扫描的效果的示意图。图3为根据本公开一实施例所示的激光雷达装置的结构示意图。图4为根据本公开一实施例所示的激光雷达探测方法的流程图。【符号说明】101-输入波导；102-分支波导阵列；103-一维光调制器阵列；104-耦合分束光栅阵列；3-激光雷达探测装置；301-激光器；302-扫描光束发射器件；303-接收光学系统；304-阵列探测器；305-目标。具体实施方式本公开提供了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，在扫描光束发射器件中，通过将耦合分束光栅阵列与一维光调制器阵列配合，耦合分束光栅阵列将波导中的光耦合出射至自由空间中并分为强度均匀的二维光束阵列，通过控制一维光调制器阵列实现对光相位的调制，使得二维光束阵列在特定一维方向上小范围扫描，覆盖原点阵间空隙，从而在一维方向扫描的条件下实现二维扫描的效果，控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种扫描光束发射器件。图1为根据本公开一实施例所示的描光束发射器件的结构示意图。参照图1所示，本公开的扫描光束发射器件，包括：输入波导101；分束波导阵列102，与输入波导101相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列103，与分束波导阵列102相连，对分束波导阵列102中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列104，与一维光调制器阵列103相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，在一维光调制器阵列103的调制下合成二维分布且强度均匀的光束阵列。本实施例中，通过对耦合分束光栅阵列104进行设置，使得耦合分束光栅阵列104的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。本实施例中，耦合分束光栅阵列104中包含多个阵列排布的耦合光栅，利用耦合光栅将波导内的光耦合到自由空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。

【技术特征摘要】
1.一种扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。2.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中，所述耦合分束光栅阵列满足：耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。3.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中，所述耦合分束光栅阵列将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描，包括：当不对分束波导阵列中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的光束阵列；控制该一维光调制器阵列的输入电压，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向上进行一维扫描。4.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中：所述扫描光束发射器件为半导体器件，其材料包括如下材料中的一种或几种：硅、砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝或者由其构成的三元/四元化合物；和/或所述一维光调制器阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、锗或三五族半导体；和/或所述输入波导、分束波导阵列和耦合分束光栅阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、氮化硅、氧化硅。5.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中，所述耦合分束光...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝智彪，刘雅琦，汪莱，熊兵，孙长征，王健，李洪涛，韩彦军，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11