一种基于变换光学的光束扫描维度拓展装置及其方法

本发明涉及激光雷达光束扫描，特别是涉及一种基于变换光学的光束扫描维度拓展装置及其方法。

背景技术：

1、随着无人驾驶技术的快速发展，迫切需要体积更小、功耗更低、性能更加稳定的车载激光雷达。其中，光束扫描系统作为激光雷达中最为核心的技术之一，其性能直接决定了激光雷达的成像分辨率，是自动驾驶安全性的关键保障。为实现行车过程中对道路场景的三维实时成像，需要由光束扫描系统出射二维面阵扫描光场，向目标发射探测信号即扫描激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，获得单点扫描的距离信息，通过逐行逐点扫描来获得三维点云数据，重建道路的三维场景。

2、目前，激光雷达光束扫描系统实现二维面阵扫描的方式通常是在x方向和y方向分别单独控制一维光束偏转，通过x方向和y方向的偏转组合来实现光束的二维扫描。这就需要光束扫描系统中有两套光线偏转器，例如分别控制光线x方向和y方向偏转的mems(微机电系统)振镜、声光偏转器以及液晶偏振光栅等，使得光束扫描系统结构复杂，体积大且制造成本高，同时系统的稳定性与可靠性受到限制，不利于在车载激光雷达中的应用。或者在一维光学相控出光端面设置特定的器件(mems反射镜、光纤阵列等)，将一维光束转化为二维光束，例如在一维波导相控阵出光端面设置一个mems反射镜，将波导出射的光线反射到自由空间，实现了全空间二维光学扫描，但是mems中的机械元件容易存在机械疲劳，使其可靠性大大降低。此外，在一维光学相控阵(1*16)的出光端面耦合光纤，并将光纤排布成4*4阵列，实现了光场的二维扫描，但是该方法中光纤阵列排布加工困难，不适用于大规模二维光束扫描场合。

技术实现思路

1、本发明要解决的是现有光束扫描系统结构复杂、体积大且制造成本高以及稳定性和可靠性较低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变换光学的光束扫描维度拓展装置，包括依次沿光路布置的光束准直模块、第一相位板和第二相位板；其中，所述光束准直模块用于发射一维直线扫描光束，并经准直后入射到所述第一相位板；所述第一相位板用于通过加载的第一相位调制信号，对所述一维直线扫描光束进行光场变换，将所述一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束；所述第二相位板用于通过加载的第二相位调制信号，对所述二维面阵扫描光束进行波矢量校正，将所述二维面阵扫描光束平行出射。

3、优选地，所述光束准直模块包括激光模块和柱透镜。

4、优选地，所述柱透镜的平面与所述第一相位板的平面相互平行。

5、优选地，所述第一相位板和第二相位板位于玻璃基板的正反两面。

6、优选地，所述第一相位板和第二相位板套刻在玻璃基板上。

7、优选地，所述第一相位板和第二相位板分别为空间光调制器、衍射光学元件和超构表面的一种。

8、优选地，所述第一相位调制信号，具体如下式表达：

9、

10、其中，(x,y)表示第一相位板所在平面，x和y分别表示在(x,y)内的横纵坐标值，q(x,y)表示第一相位调制信号，β表示第一相位板平面上的分段光场传播到第二相位板平面后的横向缩放系数，k表示一维直线扫描光束的波数，d表示第一相位板与第二相位板的距离，l表示一维直线扫描光束的横向扫描区域大小，n表示一维直线扫描光束的分段光场数目，h表示二维面阵扫描光束的纵向扫描区域大小。

11、优选地，所述第二相位调制信号，具体如下式表达：

12、

13、其中，(u,v)表示第二相位板所在平面，u和v分别表示在(u,v)内的横纵坐标值，p(u,v)表示第二相位调制信号。

14、本发明实施例还提供了一种如上述任一项所述的光束扫描维度拓展装置的光束扫描维度拓展方法，包括：

15、光束准直模块发射一维直线扫描光束，并经准直后入射到第一相位板；

16、在所述第一相位板上加载预设的第一相位调制信号，通过所述第一相位调制信号对所述一维直线扫描光束进行光场变换，将所述一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束；

17、在第二相位板上加载预设的第二相位调制信号，通过所述第二相位调制信号对所述二维面阵扫描光束进行波矢量校正，并将校正后的二维面阵扫描光束平行出射。

18、优选地，所述将所述一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束的步骤包括：

19、所述第一相位板将所述一维直线扫描光束进行均匀分段，然后将均匀分段光场依次映射到所述第二相位板的不同高度处。

20、本发明实施例一种基于变换光学的光束扫描维度拓展装置及其方法与现有技术相比，其有益效果在于：该装置应用于激光雷达光束扫描系统中可以使二维光束偏转器简化为一维偏转器，极大地优化激光雷达光束扫描系统的结构，提升系统的稳定性同时显著降低成本。而且相位板的设计具有很大的灵活性，可以实现任意尺寸的二维面阵扫描光场的定制，具有很强的适用性。

技术特征：

1.一种基于变换光学的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，包括依次沿光路布置的光束准直模块、第一相位板和第二相位板；其中，所述光束准直模块用于发射一维直线扫描光束，并经准直后入射到所述第一相位板；所述第一相位板用于通过加载的第一相位调制信号，对所述一维直线扫描光束进行光场变换，将所述一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束；所述第二相位板用于通过加载的第二相位调制信号，对所述二维面阵扫描光束进行波矢量校正，将所述二维面阵扫描光束平行出射。

2.根据权利要求1所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述光束准直模块包括激光模块和柱透镜。

3.根据权利要求2所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述柱透镜的平面与所述第一相位板的平面相互平行。

4.根据权利要求1所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述第一相位板和第二相位板位于玻璃基板的正反两面。

5.根据权利要求4所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述第一相位板和第二相位板套刻在玻璃基板上。

6.根据权利要求5所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述第一相位板和第二相位板分别为空间光调制器、衍射光学元件和超构表面的一种。

7.根据权利要求1所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述第一相位调制信号，具体如下式表达：

8.根据权利要求7所述的光束扫描维度拓展装置，其特征在于，所述第二相位调制信号，具体如下式表达：

9.一种如权利要求1至8任一项所述的光束扫描维度拓展装置的光束扫描维度拓展方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的光束扫描维度拓展方法，其特征在于，所述将所述一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束的步骤包括：

技术总结
本发明公开了一种基于变换光学的激光雷达光束扫描维度拓展装置及其方法，该装置包括光束准直模块、第一相位板和第二相位板；其中，光束准直模块用于发射一维直线扫描光束，并经准直后入射到第一相位板；第一相位板用于通过加载的第一相位调制信号，对一维直线扫描光束进行光场变换，将一维直线扫描光束变换为二维面阵扫描光束；第二相位板用于通过加载的第二相位调制信号，对二维面阵扫描光束进行波矢量校正，将二维面阵扫描光束平行出射。本发明提供的装置可应用于激光雷达光束扫描系统中，极大地优化激光雷达光束扫描系统结构，提升系统的稳定性同时显著降低成本，可以实现任意尺寸的二维面阵扫描光场的定制，具有很强的适用性。

技术研发人员：张彦峰,杨栋,余思远
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5