经由弯曲表面上的透镜阵列准直由光纤发射的光的制作方法

本专利申请主张2016年2月26日提出申请的标题为“基于光纤的激光雷达及准直光学系统(FIBER BASED LIDAR AND COLLIMATING OPTICS SYSTEM)”的美国临时申请案第62/300,690号的权益，所述临时申请案的发明者与标的申请案相同，经转让给标的申请案的受让人，且特此以全文引用的方式明确并入本文中。

技术领域

实施例涉及经由弯曲表面上的小透镜阵列准直由光纤发射的光。

背景技术：

一些对象检测系统(例如，例如Hyperion激光雷达项目的准直光学系统)依赖于由扫描装置发射扫描光学探测光束。当此探测光束在阈值距离(例如，距离发射扫描光学探测光束的光纤100m)内射到对象扫描光学探测光束的光纤的阈值距离时，光从对象往回散射到扫描装置处的接收器单元，所述扫描装置记录对象的存在并计算对象的x、y、z位置，借此x及y是基于扫描光学探测光束的发射方向确定且z经由飞行时间技术确定(例如，基于扫描光学探测光束的传播速度以及扫描光学探测光束的发射与在接收器单元处检测到的散射光的检测之间的时间差)。

图1说明对象检测系统100的实例。参考图1，扫描装置105包含光纤110及接收器单元115。光纤110发射扫描光学探测光束120，其与在阈值距离(例如，100m)内的汽车125接触。当扫描光学探测光束120接触汽车125时，扫描光学探测光束120沿许多方向散射，如关于散射光束130到155所描绘。散射光束中的一些(例如，散射光束145)到达扫描装置105处的接收器单元115并由其进行检测，之后扫描装置105可计算汽车125的x、y、z位置。

由于各种原因，实现所要的扫描光学探测光束性质具有挑战性。例如，扫描光学探测光束应在宽视场(FOV)范围内，几乎没有发散度；即，高度准直。对象检测系统的实例性FOV要求为+/-60度，在整个FOV上具有0.1度的光束发散度。此外，产生此准直的透镜系统可经配置有小格式(～10×10×10mm)。

图2更详细地说明扫描装置105内的光纤110的布置。关于图2，作为单模或多模光纤的光纤110为扫描装置105的光源。更具体地说，光源为光已经注入的光纤110的端部。为了改变光纤110的角度方向，压电圆筒200通过广泛各种角度使光纤110旋转/振动(穿过压电圆筒的中心)。经由压电圆筒200以共振频率激励悬臂(即，光纤100)将在悬臂的尖端处引起振荡，其中振幅为悬臂基部的100到200倍。相对于205描绘运动中的光纤110(或悬臂)的实例，借此光纤110振动，导致在正交平面中的角度旋转+/-45度，从而产生扫描光学探测光束210。更具体来说，扫描光学探测光束210说明从光纤110前面的光纤110发射的光的视图，或替代地射到目标对象(例如，汽车125)上然后散射的一些光的视图。对于小角度运动，此光纤尖端路径大约为球形，但随着光纤110开始弯曲，对于较大的角运动变为椭圆形，这使得准直光学系统的设计复杂化。

通过透镜系统以大角度(例如，相对于光轴或透镜对称轴)折射的光通常经受相对于通过较小角度折射的光的较大像差。这意味着对于以较大角度传播的光，准直度降低。通常，光束发散度在最大视场角(例如，30度、60度等)处增加3倍到10倍。对于激光雷达系统来说这种趋势被夸大了，其中光纤尖端源不限于在平面中行进而是在球形或椭圆形表面上行进。

技术实现要素：

一个实施例涉及一种包含第一光学元件的光学元件布置。第一光学元件包含：第一光纤，其经配置以在相对于第一光学元件的第一系统轴的不同角度位置处的振荡期间发射光束；及第一弯曲表面，其包含第一小透镜阵列，第一小透镜阵列中的小透镜中的每一者经配置以接收来自第一光纤的在第一弯曲表面的特定范围内发射的光束，且以相对于第一系统轴的小透镜特定的视场角准直由小透镜接收的光束。

实施例涉及一种操作光学元布置的方法，所述方法包含：通过第一光学元件的第一光纤在相对于第一光学元件的第一系统轴的不同角度位置处的振荡期间发射光束；通过第一光学元件的第一弯曲表面，接收来自第一光纤的所发射光束，第一弯曲表面包含第一小透镜阵列，每一小透镜在第一弯曲表面的特定范围内接收来自第一光纤的所发射光束的部分；及通过第一小透镜阵列中的小透镜中的每一者，以相对于第一系统轴的小透镜特定视场角准直在第一弯曲表面处从第一光纤接收的所发射光束的部分。

一个实施例涉及一种包含第一光学元件的光学元件布置。第一光学元件包含：用于在相对于第一光学元件的第一系统轴的不同角度位置处的振荡期间发射光束的第一装置；以及用于接收来自所述用于发射的第一装置的光束的第一装置，所述光束在所述用于接收的第一装置的第一组范围内发射，所述用于接收的第一装置包含用于准直由所述用于接收的第一装置接收的所述光束的第一装置阵列，所述用于准直的第一装置阵列中的每一者经配置从而以所述用于准直的装置特定的相对于所述第一系统轴的视场角准直在来自所述第一组范围的特定范围内的所述光束。

附图说明

当结合附图考虑时通过参考以下详细描述，将容易获得本发明的实施例及本发明的随附优点中的许多者的更全面了解且同样地更好地理解，所述附图仅呈现用于说明而非对本发明的限制，且其中：

图1说明对象检测系统的实例。

图2说明扫描装置内的光纤的布置。

图3说明根据本发明的实施例的光学元件。

图4说明根据本发明的实施例的小透镜配置。

图5说明根据本发明的实施例的影响光准直的小透镜间隙的建模。

图6说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置。

图7说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置。

图8说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置800。

图9说明根据本发明的实施例的准直由光学元件布置发射的光的过程。

图10说明根据本发明的实施例的与图9的过程并行执行的补充过程。

图11说明根据本发明的实施例的与图9的过程并行执行的另一补充过程。

具体实施方式

在以下描述及针对本发明的特定实施例的相关图式中揭示本发明的方面。可设计替代实施例而不背离本发明的范围。另外，本发明的习知元件将不详细描述或将被省略以便不混淆本发明的相关细节。

措词“示范性”及/或“实例性”在本文中用于意指“用作实例、例子或说明”。本文中描述为“示范性”及/或“实例性”的任何实施例未必解释为比其它实施例较佳或有利。同样地，术语“本发明的实施例”不需要本发明的所有实施例包含所论述的特征、优点或操作模式。

实施例涉及基于光纤的激光雷达系统中的光学元件，其以与角度无关的方式在大视场角上准直光。以下实施例是关于折射光学元件描述，但替代实施方案可并入衍射及/或全息光学元件(例如，如果光学元件经配置为单色的)。

图3说明根据本发明的实施例的光学元件300。参考图3，未明确说明实际光纤，但相对于305描绘了光纤尖端位置的轨迹。在实例中，轨迹305对应于光纤尖端的位置，而光纤由上文关于图2所描述的压电圆筒200振荡。光学元件300的光纤将光投射或发射到光学元件300的弯曲表面(例如，球形表面)上。代替光学元件300的弯曲表面310为光滑的，弯曲表面310包含小透镜320的阵列315。在实例中，小透镜320的形状可为半球形、非球形(例如，椭圆形等)或其某一组合。在实例中，每一小透镜320可实施为折射半球形或非球形“凸块”，其用于弯曲光，使得从光纤投射到小透镜上的任何光束被准直(例如，使其基本上彼此平行)。然而，在其它实施例中，小透镜320不需要为折射的(例如，衍射，全息等)。此外，在其它实施例中，小透镜320不需要实施为“凸块”，而是可采用具有光弯性质的任何形状，以准直从光纤发射的入射光束。如图3中关于经准直光束群组330到350所展示；在轨迹305的不同光纤尖端位置处从光纤发射的光束进入阵列315的各种小透镜320，且然后与经由相同小透镜传播的其它光束基本上平行(或准直)。

在图3中，弯曲表面310具有中心(或系统)光轴355，且每一小透镜320还具有小透镜光轴360。光学元件300的视场(FOV)指的是从光纤发射的光的程度范围可能偏离系统光轴355。

如准直光束组330到350所证明的，在任何给定时刻，旋转/振动光纤指向特定小透镜(或取决于方向的若干相邻小透镜)。经准直光束组330到350表示当光纤沿着轨迹305振荡时由光学元件300发射的光束的五个快照。因此，在任何给定时刻从光纤发射的光的方向始终与小透镜320中的一个的光轴对准或几乎与其对准。当光纤的角度较小时，像差(由于光纤的弯曲)相应地较小，且通过小透镜提供的准直度为可接受的。当光纤指向远离系统对称轴的大角度时，上述情形甚至为真；即，大的发射视场角。

光学元件300的光学性能取决于光纤的方向及光纤指向的单个小透镜(或相邻小透镜)。即使在相对于激光雷达系统的对称轴的大角度下，光纤方向及所产生的发射光束也将沿着或几乎沿着一些小透镜的光轴引导。当光在小透镜的光轴方向上或附近传播时，光学像差减小。因此，即使在相对于整个系统对称轴的大角度(例如，30度，60度等)或大的出视场角下，光学元件300仍获得令人满意的光学性能。

此外，光纤尖端发射用作在弧线上行进的点光源。由于小透镜320也位于弯曲表面(即，弯曲表面310)上，因此从光纤尖端到每一小透镜320的距离保持基本上恒定。如果光纤尖端运动没有绘制出球形表面(这为由于光纤弯曲而常见的)，那么小透镜320可经配置以适应光纤尖端的运动(所发射光的位置及方向)，如图4中所展示。在图4中，个别小透镜320经布置以便根据在振荡期间光纤的预期弯曲来准直所发射光束。再次保持大视场角下的小透镜准直。

然而，使用图3到4中所描绘的小透镜的一个缺点涉及发射图案中存在“间隙”(即使所发射的光经准直)。这些间隙(其可被称作为小透镜间隙)发生在相邻小透镜之间的过渡点附近。此些间隙可为5到10度宽。图5展示当入射光束“跨越”相邻小透镜时此些间隙的原点。

在实施例中，光学元件300的小透镜320可经专门布置以减小这些间隙。特定来说，轨迹305可基于在不同振荡角度下在光纤中发生的弯曲来建模。然后可构造弯曲表面310上的个别小透镜的曲率(或形状)以便符合轨迹305的建模。特定来说，以较高视场角(即，离系统光轴较远)定位的小透镜的曲率可经操纵以便适应在这些较高视场角下光纤的弯曲，这起到减少发射图案中间隙的存在的作用。折衷为增加轴上光束发散度。这主要通过减小小透镜曲率半径来完成。小透镜也可经设计有非球面表面。基于光纤尖端轨迹建模的小透镜曲率的定制可与下面所描述的任何实施例结合使用作为额外的间隙减小优化。

在替代实施例中，弯曲表面310本身的曲率也可经构造以便符合轨迹305的建模。在此替代实施例中，小透镜320不需要经修改以符合轨迹305。然而，小透镜320及弯曲表面310两者都可经配置(或塑形)以便与轨迹305一致以进一步减小小透镜之间的间隙。

图6说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置。参考图6，两个单独的光学元件600及610部署在同一扫描装置内，彼此之间具有给定的间隔(例如，在10mm与30mm之间)。光学元件600及610中的每一者可经配置成类似于上面关于图3所描述的光学元件300。然而，光学元件600及610中的每一者在其相应的阵列605及615内配置有不同的小透镜布置(例如，具有半球形和/或非球形小透镜等)。光学元件600及610的不同小透镜布置可经配置以使得相应阵列605及615的发射图案中的“间隙”通过错开小透镜的位置而彼此不重叠。

虽然未在图6中展示，但两个光学元件600及610可与单个接收器单元结合使用，以响应于来自相应光学元件600及610的双扫描光学探测光束的发射而检测从目标对象散射的任何光。此外，双扫描光学探测光束的传输可为同步的，以使得从接收器单元的角度来看，从双扫描光学探测光束散射的光与没有任何间隙传输的单个光学元件的光相当。因此，在620处描绘的小透镜布置为通过部署双光学元件600及610而获得的“有效”小透镜覆盖，其中有效小透镜覆盖消除了相应阵列605及615中单独存在的任何间隙。换句话说，每一光学元件中的间隙通过位于另一个光学元件的对应位置中的小透镜消除。虽然图6说明双重光学元件布置，但应理解可以类似方式(例如，3、4、5等)布置任何数目的光学元件。

图7说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置700。与图6相反，其中两个独立光学元件经部署用于发射两个独立的扫描光学探测光束，图7描绘了包括两个独立的弯曲表面705及710的单个光学元件，所述两个独立的弯曲表面包含在相应的阵列715及720内的不同的小透镜布置。弯曲表面705及710同心地布置，其中弯曲表面705为光学元件装置700的内部弯曲表面，且弯曲表面710为光学元件装置700的外弯曲表面。类似于图6的阵列605及615，部署在弯曲表面705及710上的阵列715及720可经布置使得相应阵列的发射图案中的“间隙”通过与小透镜的位置交错而不彼此重叠。

如将了解，上文所述光学元件可经部署在用于任何对象检测系统的扫描装置中，例如上文参考图1所描述的对象检测系统100。

图8说明根据本发明的实施例的双重光学元件布置800。光学配置800并有上文参考图3到7所描述的实施例的方面。

参考图8，光学元件装置800包含光学元件1…N，由此光学元件2…N为任选的。光学元件1…N中的每一者包含光纤，所述光纤经配置以在目标视场角范围内相对于相应系统轴在不同角度位置处振荡，弯曲表面1…M，其中每一弯曲表面配备有小透镜阵列，借此弯曲表面2…M为任选的。在图8中，光学元件1的弯曲表面M上的小透镜阵列经标记为805，且光学元件2的弯曲表面M上的小透镜阵列经标记为810。虽然图8中的其它小透镜阵列为了视觉清晰起见未经明确标记，但所述领域的技术人员将了解这些其它小透镜阵列的实施方案。

参考图8，如果N＝1且M＝1使得光学布置800包含仅具有弯曲表面1的光学元件1，那么光学元件布置800对应于上文关于图3所描述的光学元件300。如果N>1且M＝1使得光学装置800包含多个光学元件，所述光学元件各自具有单个弯曲表面及小透镜阵列，那么光学元件装置800对应于上文关于图6所描述的光学元件布置600。如果N＝1且M>1使得光学布置800包含具有多个弯曲表面及小透镜阵列的光学元件1，那么光学元件布置800对应于上文关于图7所描述的光学元件布置700。

在图8的其它排列中，M的值可针对不同的光学元件不同(例如，光学元件1…N中的一些光学元件可具有多个弯曲表面及小透镜阵列，而其它光学元件具有单个弯曲表面及小透镜阵列等)。此外，为了便于解释，省略了任选的光学元件3…N的内部结构，但应理解，如果经实施，任选的光学元件3…N可经配置成类似于任选的光学元件1及/或2(例如，其中一或多个弯曲表面包含一或多个小透镜阵列)。

图9说明根据本发明的实施例的准直由光学元件布置发射的光的过程。图9的过程可通过上文关于图3到8所描述的实施例中的任一者来实施(例如，具有带有小透镜阵列的单个弯曲表面的单个光学元件，各自配备有具有小透镜阵列的单个弯曲表面的双光学元件，具有多个弯曲表面的单个光学元件，每一弯曲表面包含小透镜阵列等)。

参考图9，光学元件布置通过第一光学元件的第一光纤在相对于第一光学元件的第一系统轴的不同角度位置处的振荡期间发射光束，900。光学元件布置通过第一光学元件的第一弯曲表面接收来自第一光纤的所发射光束，第一弯曲表面包含第一小透镜阵列，每一小透镜在第一弯曲表面的特定范围内接收来自第一光纤的所发射光束的部分，905。光学元件布置通过第一小透镜阵列中的小透镜中的每一者以相对于第一系统轴的小透镜特定视场角准直在第一弯曲表面处从第一光纤接收的所发射光束的部分，910。

参考图9，如上文关于图3到8所述，在实例中，第一小透镜阵列中的小透镜中的每一者的形状可为半球形或非球形。在又一实例中，第一弯曲表面的形状可经配置以当第一光纤在振荡期间弯曲时符合第一光纤的光纤尖端位置的建模轨迹。在又一实例中，第一小透镜阵列内的一或多个小透镜可经配置以在振荡期间第一光纤弯曲时符合第一光纤的光纤尖端位置的建模轨迹。

图10说明根据本发明的实施例的与图9的过程并行执行的补充过程。参考图10，光学元件布置通过第二光学元件的第二光纤在相对于第二光学元件的第二系统轴的不同角度位置处的振荡期间发射光束，1000。光学元件布置通过第二光学元件的第二弯曲表面接收来自第二光纤的所发射光束，第二弯曲表面包含第二小透镜阵列，小透镜各自在第二弯曲表面的特定范围内接收来自第二光纤的所发射光束的部分，1005。光学元件布置通过第二小透镜阵列中的小透镜中的每一者以相对于第二系统轴的小透镜特定视场角准直在第二弯曲表面处从第二光纤接收的所发射光束的部分，1010。参考图9到10，图10的1000到1010表示可与图9的900到910同步发生的任选并行过程。

参见图9及10，如上文关于图6及8所述，在实例中，第一及第二光学元件可接近地定位且沿相同方向定向，且第一及第二光学元件可经配置用于同步光束传输。此外，在又一实例中，第一小透镜阵列可包含对应于第一弯曲表面上的相应小透镜之间的过渡的第一组小透镜间隙，第二小透镜阵列可包含对应于第二弯曲表面上的相应小透镜之间的过渡的第二组小透镜间隙，以及第一及第二小透镜阵列可经布置成使得第一及第二组小透镜间隙不会分别相对于第一及第二系统轴成角度地彼此重叠，使得通过第一及第二光学元件在相对于第一及第二系统轴的目标视场角范围内提供连续准直覆盖。

图11说明根据本发明的实施例的与图9的过程并行执行的另一补充过程。参考图11，光学元件布置通过第一光学元件的第二弯曲表面接收来自第一光纤的所发射光束，第二弯曲表面包含第二小透镜阵列，小透镜各自在第二弯曲表面的特定范围内接收来自第一光纤的所发射光束的部分，1100。光学元件布置通过第二小透镜阵列中的小透镜中的每一者以相对于第一系统轴的小透镜特定视场角准直在第二弯曲表面处从第一光纤接收的所发射光束的部分，1105。

参考图9及11，如上文关于图7及8所述，在关于第一光纤的实例中，第一弯曲表面可对应于内弯曲表面，且第二弯曲表面可对应于外弯曲表面。替代地，相对于第一光纤，第一弯曲表面可对应于外弯曲表面，且第二弯曲表面可对应于内弯曲表面。在又一实例中，第一小透镜阵列可包含对应于第一弯曲表面上的相应小透镜之间的过渡的第一组小透镜间隙，第二小透镜阵列可包含对应于第二弯曲表面上的相应小透镜之间的过渡的第二组小透镜间隙，以及第一及第二小透镜阵列可经布置成使得第一及第二组小透镜间隙不会相对于第一系统轴成角度地彼此重叠，使得通过第一光学元件在相对于第一系统轴的目标视场角范围内提供连续准直覆盖。

参见图9及11，图11的1100到1105表示可与图9的905到910同步发生的任选并行处理。此外，图10到11中所描绘的任选并行处理可根据本发明的实施例以各种组合部署有图9的过程。例如，考虑光学元件布置包含三个光学元件的情景，其中两个光学元件具有一对具有小透镜阵列的弯曲表面，另一个具有带有单个小透镜阵列的单个弯曲表面。在此情景下，图9的过程在三个光学元件中的每一个处执行，图10的过程执行两次(对于初始光学元件之后的每一额外光学元件)，且图11的过程在具有弯曲表面对的两个光学元件中的每一者处执行。

所属领域的技术人员将了解，可使用各种不同技艺及技术中的任一者表示信息及信号。举例来说，可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或光学粒子或其任何组合来表示可贯穿以上描述所参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。

此外，所属领域的技术人员将了解，结合本文中所揭示的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚地说明硬件及软件的此可互换性，上文通常已就其功能性方面描述了各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。此功能性是实施为硬件还是软件取决于强加于整个系统的特定应用及设计约束。虽然所属领域的技术人员可针对每一特定应用以变化方式实施所描述功能性，但不应将此些实施方案决策解释为导致对本发明的范围的脱离。

虽然前述揭示内容展示本发明的说明性实施例，但请注意，可在本文中做出各种改变及修改而不脱离如随附权利要求书所界定的本发明的范围。根据本文中所描述的本发明的实施例的方法权利要求书的功能、步骤及/或动作不需要以任何特定次序执行。此外，尽管本发明的元件可以单数形式进行描述或主张，但涵盖复数形式，除非明确地陈述对单数形式的限制。