具有微透镜阵列及集成光子开关阵列的LIDAR的制作方法

本公开详细描述新颖的lidar系统及方法。更明确来说，本公开涉及利用微透镜阵列以匹配光学天线的发射角及成像透镜的接收角的成像lidar。

背景技术：

1、光检测及测距(lidar)在自动驾驶汽车及便携式装置(例如智能手机及平板计算机)中广泛使用。固态lidar特别有吸引力，因为其有利于小型化及大量生产。第2021/016778号美国专利公开案教示一种由位于成像透镜的焦平面处的垂直耦合器(也称为光学天线)的可编程阵列组成的光束控制系统。光信号可通过由mems(微机电系统)致动的波导开关组成的可编程光学网络递送到任何所选择的光学天线。与常规的热光或电光开关相比，mems开关提供更低的插入损耗、更低的串扰、宽带操作、数字致动及更低的功耗。可编程光学天线的高密度阵列由于其占用面积小，可集成在单个芯片上，用于高分辨率成像lidar。

2、先前的公开定制个别光学天线的发射角以匹配成像透镜的接受角。在一些实施例中，光学天线的发射角对制造工艺敏感。其还可能影响反射回到检测器，这是不期望的。本公开描述使用微透镜阵列以匹配天线的发射角及成像透镜的接受角。

技术实现思路

1、提供一种成像lidar系统，其包括：透镜；至少一个光发射器；至少一个光检测器；天线阵列，其包括多个光学天线；可编程光学开关网络，其经配置以提供从所述至少一个光发射器到所选择的发射光学天线及从所选择的接收天线到所述至少一个检测器的光学路径；微透镜阵列，其包括对应于所述天线阵列的所述多个光学天线的多个微透镜，所述微透镜阵列安置在所述多个光学天线与所述透镜之间，其中所述微透镜阵列大致定位在所述透镜的焦平面处，且所述天线阵列大致定位在所述微透镜阵列的焦平面处；其中所述微透镜阵列的每一微透镜经定位以变换来自对应光学天线的发射角以匹配所述透镜的主光线角。

2、在一些实施例中，所述微透镜阵列选自由硅、玻璃、氮化硅、聚合物、光致抗蚀剂、塑料、陶瓷、电介质及其它半导体材料组成的群组。

3、在一个实施例中，每一微透镜选自由菲涅耳(fresnel)透镜、超透镜(meta lens)、超表面(metasurface)透镜、任何其它人工合成透镜组成的群组。

4、在一些实例中，所述微透镜阵列进一步包括一或多个表面上的抗反射涂层。

5、在一些实施例中，所述透镜选自由单透镜、复合透镜、多元件透镜、智能手机透镜及长焦透镜组成的群组。

6、在其它实例中，所述系统进一步包括沿着所述天线阵列的至少一个边缘安置的间隔件，所述间隔件经配置以保持最优间隔，所述微透镜阵列以最优间隔大致定位在所述透镜的所述焦平面处，且所述天线阵列以最优间隔大致定位在所述微透镜阵列的所述焦平面处。

7、在一个实施例中，所述间隔件与所述微透镜阵列形成密封腔。

8、在另一实施例中，所述密封腔是气密的。

9、在一些实施例中，所述多个光学天线包括单独的发射及接收光学天线以及连接到这些单独的发射及接收光学天线的单独的光学路径。

10、在一个实例中，所述微透镜阵列包括单侧设计。在其它实例中，所述微透镜阵列包括双侧设计。

11、在一些实例中，所述微透镜阵列是周期性的，且所述天线阵列是周期性的。在其它实例中，所述微透镜阵列不是周期性的，且所述天线阵列是周期性的，或反之亦然。

12、在一些实例中，所述微透镜阵列及所述天线阵列两者都具有经配置以允许对准及永久附接的基准标记。

13、在其它实施例中，所述多个光学天线具有8°的发射角及30°的光束发散角。在一个具体实例中，所述微透镜阵列经配置以将所述光束发散角转换为22°，并将发射主光线角(cra)转换为范围在0°～37°之间的值。

14、提供一种用于成像lidar系统的可编程集成电路(pic)，所述pic包括：天线阵列，其包括多个光学天线；可编程光学开关网络，其经配置以提供通向所选择的发射光学天线及起于所选择的接收天线的光学路径；及微透镜阵列，其包括对应于所述天线阵列的所述多个光学天线的多个微透镜，其中所述天线阵列大致定位在所述微透镜阵列的焦平面处，其中所述微透镜阵列的每一微透镜经定位以变换来自对应光学天线的发射角以匹配所述成像lidar系统的透镜的主光线角。

15、在一些实施例中，所述微透镜阵列选自由硅、玻璃、氮化硅、聚合物、光致抗蚀剂、塑料、陶瓷、电介质及其它半导体材料组成的群组。

16、在其它实施例中，每一微透镜选自由菲涅耳透镜、超透镜、超表面透镜、任何其它人工合成透镜组成的群组。

17、在一个实例中，所述微透镜阵列进一步包括一或多个表面上的抗反射涂层。

18、在另一实施例中，所述pic进一步包括沿着所述天线阵列的至少一个边缘安置的间隔件，所述间隔件经配置以保持最优间隔，所述天线阵列以最优间隔大致定位在所述微透镜阵列的所述焦平面处。

19、在一些实例中，所述间隔件与所述微透镜阵列形成密封腔。在一个实施例中，所述密封腔是气密的。

20、在一些实例中，所述多个光学天线包括单独的发射及接收光学天线以及连接到这些单独的发射及接收光学天线的单独的光学路径。

21、在一个实例中，所述微透镜阵列包括单侧设计。在其它实例中，所述微透镜阵列包括双侧设计。

22、在一些实例中，所述微透镜阵列是周期性的，且所述天线阵列是周期性的。在其它实例中，所述微透镜阵列不是周期性的，且所述天线阵列是周期性的，或反之亦然。

23、在一些实施例中，所述微透镜阵列及所述天线阵列两者都具有经配置以允许对准及永久附接的基准标记。

24、在一个实例中，所述多个光学天线具有8°的发射角及30°的光束发散角。在一个具体实例中，所述微透镜阵列经配置以将所述光束发散角转换为22°，并将发射主光线角(cra)转换为范围在0°～37°之间的值。

25、提供一种执行lidar成像的方法，其包括以下步骤：控制可编程光学网络以提供从至少一个光发射器到所述光学网络的天线阵列的所选择的发射光学天线的第一光路径；定位微透镜阵列，使得所述微透镜阵列大致定位在透镜的焦平面处，且所述天线阵列大致定位在所述微透镜阵列的焦平面处，所述微透镜阵列包括对应于所述天线阵列的多个微透镜；及变换所述所选择的发射光学天线的发射角以匹配所述透镜的主光线角。

26、提供一种制造用于成像lidar系统的可编程集成电路(pic)的方法，所述方法包括：用光刻工艺形成光学天线阵列，所述光学天线阵列包括多个光学天线；用所述光刻工艺形成可编程光学开关网络，所述可编程光学开关网络经配置以提供通向所选择的发射光学天线及起于所选择的接收天线的光学路径；及用光刻工艺形成微透镜阵列，所述微透镜阵列包括对应于所述天线阵列的所述多个光学天线的多个微透镜，其中所述天线阵列大致定位在所述微透镜阵列的焦平面处，其中所述微透镜阵列的每一微透镜经定位以变换来自对应光学天线的发射角以匹配所述成像lidar系统的透镜的主光线角。

27、在一些实例中，所述光学天线阵列、所述可编程光学开关网络及所述微透镜阵列由选自由硅、玻璃、氮化硅、聚合物、光致抗蚀剂、塑料、陶瓷、电介质及其它半导体材料组成的群组的材料形成。

28、在一些实例中，所述方法进一步包括用光刻工艺形成间隔件，所述间隔件经配置以保持最优间隔，所述天线阵列以最优间隔大致定位在所述微透镜阵列的所述焦平面处。

29、在一个实例中，所述间隔件与所述微透镜阵列形成密封腔。

30、在另一实例中，所述密封腔是气密的。