激光雷达光源的制作方法

本发明涉及激光雷达光源，特别涉及具有二维操纵控制的激光雷达光源。

背景技术：

激光雷达基于激光的探测、测距和映射的方法，采用了与雷达相似的技术。激光雷达系统有几个主要部件：激光器、扫描仪和光学器件、光子探测器和接收器电子设备。例如，执行对扫描激光束的受控操纵，通过处理所捕获的从远处物体、建筑物和地形反射的返回信号，可以获得这些物体、建筑物和景观的距离和形状。

激光雷达应用广泛。例如，自主车辆(例如，无人驾驶汽车)使用激光雷达(也称为车载激光雷达)进行障碍物检测和碰撞避免，从而安全穿过环境航行。车载激光雷达安装在无人驾驶车的车顶上并不断旋转，以监控车周围的当前环境。激光雷达传感器向软件提供必要的数据，以确定环境中存在潜在障碍之处、帮助识别障碍物的空间结构、根据尺寸区分对象、并估计在其上驾驶的影响。与雷达系统相比，激光雷达系统的一个优点在于，激光雷达系统能够提供更好的范围和大的视野，这帮助检测曲线上的障碍物。尽管近年来在激光雷达开发中取得巨大进展，这些日子仍然在进行大量的努力来更好地设计激光雷达光源以进行受控扫描。

技术实现要素：

本发明公开了一种包括下面各项的仪器：多个光波导，每个光波导包括光芯；电子控制系统，其被配置为通过调节多个光波导的光芯的温度来调节多个光波导的光芯的尺寸，其中，通过调整多个光波导的光芯的尺寸，所述电子控制系统被配置为控制来自所述多个光波导的输出光波的相位，用于输出光波形成扫描光束，并控制该扫描光束的方向。

根据实施例，多个光波导形成一个二维相控阵列，并被配置成进行二维光扫描。

根据实施例，多个光波导在共同的衬底上形成。

根据实施例，多个光波导中的每个光波导是光纤。

根据实施例，到达多个光波导的输入光束的光波是相干的。

根据实施例，扫描光束是激光束。

根据实施例，仪器还包括扩束器，其被配置为在输入光束进入多个光波导之前扩展输入光束。

根据实施例，仪器还包括衍射光栅，其被配置成将输入光束的光波耦合到多个光波导中。

根据实施例，衍射光栅是微透镜阵列。

根据实施例，至少一个光芯包括导电且透明的光学介质。

根据实施例，至少一个光芯电连接到电子控制系统，其中电子控制系统被配置为：通过施加流经至少一个光芯的电流来控制至少一个光芯的温度。

根据实施例，所述多个光波导中的至少一个还包括围绕相应光芯的侧壁的导电包层。

根据实施例，导电包层电连接到电子控制系统，其中电子控制系统被配置为：通过施加流经导电包层的电流来控制相应光芯的温度。

根据实施例，仪器还包括与电子控制系统电连接的珀尔帖装置，其中电子控制系统被配置为：通过施加流经所述珀尔帖装置的电流来控制至少一个光芯的温度。

根据实施例，仪器还包括被配置为调制扫描光束的衍射光栅。

根据实施例，衍射光栅是微透镜阵列。

根据实施例，衍射光栅是菲涅耳透镜阵列。

根据实施例，多个光波导中的至少一个光波导被嵌入在一个衬底中，并且所述多个光波导中的至少另一个光波导被嵌入在另一个衬底中。

本文公开了一种适于激光扫描的系统，所述系统包括：上述仪器中的任一个仪器；激光源；其中，所述仪器被配置为接收来自所述激光源的输入激光束，并产生扫描激光束。

根据实施例，系统还包括检测器，其被配置为：在扫描激光束从物体上反弹后收集返回激光信号。

根据实施例，系统还包括信号处理系统，其被配置为处理并分析检测器所检测到的返回激光信号。

【附图说明】

图1示意性地示出了根据实施例的适于产生二维扫描光束的仪器。

图2示意性地示出了根据实施例的仪器的截面图。

图3a示意性地示出了根据实施例的仪器的俯视图。

图3b示意性地示出了根据实施例的图3a中仪器的截面图。

图4a示意性地示出了根据另一实施例的仪器的俯视图。

图4b示意性地示出了根据另一实施例的图4a中仪器的截面图。

图5a和图5b示意性地示出了根据实施例的包括珀尔帖装置的仪器的俯视图和横截面视图。

图6示意性地示出了根据实施例的适于激光扫描的系统。

【具体实施方式】

图1示意性地示出根据实施例的适于产生二维扫描光束的仪器100的透视图。仪器100可以包括多个光波导(opticalwaveguide)111和电子控制系统120。在一个实施例中，多个光波导111可以嵌入在衬底112中。在一个实施例中，光波导111可以是光纤。在实施例中，多个光波导111可以形成一维阵列或二维阵列，例如矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任何其它合适的阵列。在图1的例子中，多个光波导111可以形成二维矩形阵列，并可被称为二维相控阵列。

每个光波导111可以包括包括光芯113，该光芯包括光学介质。在一个实施例中，光学介质可以是透明的。每个光芯113的尺寸可以由电子控制系统120单独调节，以控制来自各个光芯113的输出光波相位。电子控制系统120可被配置成通过调节每个光芯113的温度来调节每个光芯113的尺寸。

当输入光束入射到光芯113上时，输入光束的光波可穿行光芯113(例如通过全内反射)，并作为输出光波从多个光波导111出来。衍射可以使来自每个光芯113的输出光波以宽的角度扩展，以致于当输入光波是相干的(例如，来自诸如激光器的相干光源)时，多个光波导111的输出光波可相互干涉并呈现出干涉图案。电子控制系统120可被配置成为干涉图案控制来自多个光波导111的输出光波相位，以便产生扫描光束并在一维或二维上操纵扫描光束。例如，图1的二维阵列可以由电子控制系统120控制，以产生扫描光束并进行二维光扫描(例如，扫描光束可以在平行于衬底112的上表面的平面中扫描)。

在一个实施例中，到达多个光波导111的输入光束的光波可以是同相的。来自多个光波导111的输出光波的干涉图案可以包括一个或多个传播亮斑(brightspot)(此处输出光波相长干涉，例如再增强)、以及一个或多个传播弱斑(weakspot)(这处输出光波相消干涉，例如彼此抵消)。在一个实施例中，一个或多个传播亮斑可以形成由仪器100生成的一个或多个扫描光束。如果光芯113的输出光波相位发生变化并且输出光波之间的相位差发生变化，那么可以在不同的方向上发生相长干涉，使得输出光波的干涉图案(例如，一个或多个所生成的扫描光束的方向)也可以变化。换句话说，可以通过调节来自多个光波导111的输出光束的相位来实现光束操纵。

调节输出光波相位的一种方法是改变穿过光芯113传播的输入光波的有效光学路径。穿过光学介质传播的输入光波的有效光学路径可取决于光在光学介质中传播的物理距离(例如，取决于光波的入射角、光学介质的尺寸)。因此，电子系统120可以调整光芯113的尺寸，以改变入射光束穿过光芯113传播的有效光学路径，从而在电子控制系统120的控制下输出光波的相位变化。例如，每个光芯113的长度可以改变，因为相应光芯113的至少一部分具有温度变化。此外，如果光芯113的一区段的至少一部分具有温度变化，那么光芯113的至少该区段的直径会变化。因此，在一个实施例中，调节每个光芯113的温度可用于控制光芯113的尺寸(由于光芯113的热膨胀或收缩)。

在一个或多个实施例中，光波导111不必是直线的。例如，它们中的一些或全部可以是弯曲的(例如，“u”形、“s”形等)。光波导111的横截面形状可为矩形、圆形或其它任何合适的形状。在实施例中，衬底112可以包括导电的、非导电的或半导体的材料。在实施例中，衬底112可以包括诸如二氧化硅的材料。在一个或多个实施例中，通过对形成在带有光学介质的衬底上的一个或多个孔填充，可以将一个或多个光波导111嵌入到一个衬底中。衬底上的一个或多个孔可通过激光钻孔、化学蚀刻等形成。在嵌入过程之后，可以采用抛光工艺来去除衬底的覆盖一个或多个孔中每一个孔底部的那一部分，并且抛光一个或多个光波导111中的每个光波导的两端。此外，在一个或多个实施例中，光波导111不必嵌入在一个衬底中。例如，一些光波导111可以嵌入在一个衬底中；一些其它光波导111可以嵌在单独的衬底中。

图2示意性地示出了根据实施例的仪器100的截面图。仪器100还可以包括扩束器202(例如，透镜群)。扩束器202可以在输入光束进入多个光波导111之前扩展该输入光束。多个光波导111以虚线示出，因为它们在该视图中不是直接可见的。扩展的输入光束可以被准直。在实施例中，仪器100还可以包括衍射光栅(例如，微透镜阵列204)，其被配置为将输入光束的光波聚集并耦合到多个光波导111。仪器100可进一步包括一个或多个衍射光栅206(如微透镜阵列或菲涅耳透镜阵列)，其被配置成对来自多个光波导111的输出光波进行调制。

图3a和图3b示意性地示出了d根据实施例的仪器100的俯视图和横截面视图。如图3a和图3b所示，每个光芯113可以包括导电的且透明的光学介质。光芯113可以电连接到电子控制系统120。在实施例中，电子控制系统120可被配置成通过单独地调节每个光芯113的温度来单独调节每个光芯113的尺寸。电子控制系统120可分别向每个光芯113施加电流。可以通过控制流经各光芯113的电流大小来单独调节各光芯113的温度。如图3b所示，电流(虚线箭头)流经光芯113。在图3a的例子中，衬底112可以包括连接到光芯113的路由元件(例如路由通孔以及电触点115a和115b)。电子控制系统120可包括电触点119。多个光波导111可以与电触点119电连接。多个光波导111和电子控制系统120之间的电连接可以通过引线接合或使用插入件来实现。

图4a和图4b示意性地示出了根据另一实施例的仪器100的俯视图和截面图。如图4a和图4b所示，每个光波导111可以包括围绕各个光芯113的侧壁的导电包层116。在实施例中，每一个导电包层116可以通过路由元件(例如路由通孔以及电触点115a和115b)以及电触点119电连接到电子控制系统120。电子控制系统120可被配置成通过单独调节每个光芯113的温度来单独调节每个光芯113的尺寸。电子控制系统120可向每个导电包层116施加电流。可以通过控制流经各导电包层116中的每个导电包层的电流幅值来逐个地调节每个光芯113的温度(由于光芯113和相应导电包层116之间的热传递)。如图4b所示，电流(虚线箭头)流经导电包层116。

图5a和5b示意性地示出了根据实施例的仪器100的俯视图和横截面视图。在该实施例中，仪器100可包括一个或多个珀尔帖装置(peltierdevice)130。珀尔帖装置130是基于半导体的电子组件，能够将电压或电流输入转换为可用于加热或冷却的温度差。例如，当电流施加到珀尔帖装置130时，珀尔帖装置130的一侧被冷却，珀尔帖装置130的另一侧被加热。在实施例中，一个或多个珀尔帖装置电连接到电子控制系统120。每个珀尔帖装置的一侧(冷侧或热侧)与衬底112的侧壁接触。电子控制系统120可以向每个珀尔帖器件130施加电流。通过控制流经每个珀尔帖器件130的电流的幅值和方向来调节每个光芯113的温度(由于多个光波导111和珀尔帖器件130之间的热传递)。在一个实施例中，珀尔帖装置可以与多个光波导111分享共同的衬底。在图5a和图5b的例子中，仪器100包括一个珀尔帖装置130，该珀尔帖装置与衬底112的一个侧壁接触，从而实现跨越衬底112的温度梯度。在另一实施例中，衬底112的一个以上的侧壁可以与珀尔帖器件接触。

图6示意性地示出了根据实施例的适于激光扫描的系统600。该系统600包括激光源610和本文所述仪器100的实施例。仪器100被配置为接收来自激光源610的输入激光束，并且可以由于光衍射和干涉而产生扫描激光束。在实施例中，系统600可以在没有移动部件的情况下执行二维激光扫描。系统600可与检测器620以及信号处理系统一起用在激光雷达系统(例如车载激光雷达)中。检测器620被配置成在扫描激光束从物体、建筑物或地形反弹(bounceoff)后收集返回激光信号。信号处理系统被配置成处理和分析由检测器检测到的返回激光信号。在一个实施例中，可以获得物体、建筑物或地形的距离和形状。

尽管本文公开了各种方面和实施例，其它方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求示明。