CN110297372A - 光束扫描设备及包括其的光学设备 - Google Patents

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Abstract

一种光束扫描设备，包括：配置为发射光的光源；以及反射相控阵装置，其被配置为反射自光源发射且入射在反射相控阵装置上的光并电调节被反射相控阵装置反射的反射光的反射角，其中光源和反射相控阵装置被设置使得光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在反射相控阵装置上。

Description

光束扫描设备及包括其的光学设备
技术领域
本公开的示例实施方式涉及光束扫描设备以及包括光束扫描设备的光学设备，更具体地，涉及使用反射相控阵的非机械式光束扫描设备以及包括非机械式光束扫描设备的光学设备。
背景技术
具有各种功能的先进驾驶辅助***(ADAS)已经商业化。例如，越来越多的车辆被配备诸如自适应巡航控制(ACC)或自动紧急制动***(AEB)的功能，自适应巡航控制(ACC)识别另一车辆的位置和速度，并且如果碰撞风险低则降低相应车辆的速度，而当没有碰撞风险时则在设定的速度范围内驱动相应车辆，自动紧急制动***(AEB)识别前车，并且如果存在碰撞风险但驾驶员对其没有响应，或者如果响应方法不适当，则通过自动停止防止碰撞。而且，预计允许自动驾驶的汽车在不久的将来商业化。
因此，对能够提供关于车辆的周围环境的信息的光学测量设备的兴趣正在增加。例如，用于车辆的光探测和测距设备(LiDAR)将激光照射到车辆周围的选定区域，并检测反射的激光，以提供关于相对于车辆附近的对象的距离或该对象的相对速度和方位角的信息。为此，用于车辆的LiDAR包括能够在所需区域中扫描光的光束扫描设备。除了用于汽车的LiDAR外，光束扫描设备还可以用于例如机器人的LiDAR、无人机的LiDAR、安全用途入侵者监视***、地铁屏蔽门障碍物检测***、深度传感器、移动电话中的用户面部识别传感器、增强现实(AR)、动作识别以及电视机(TV)或娱乐设备上的对象感知。
光束扫描设备可以分为机械式光束扫描设备和非机械式光束扫描设备。例如，机械式扫描设备使用旋转光源自身的方法、旋转反射光的镜子的方法或者在垂直于光轴的方向上移动球面透镜的方法。非机械式扫描设备使用例如使用半导体器件的方法以及通过使用反射相控阵来电控制反射光的角度的方法。
发明内容
一种或更多种示例实施方式提供光束扫描设备及包括光束扫描设备的光学设备。
另外的方面部分地将在以下描述中阐述，部分地将因该描述而显然，或者可通过对示例实施方式的实践而被了解。
根据一示例实施方式的一方面，提供一种光束扫描设备，其包括：配置为发射光的光源；以及反射相控阵装置，其被配置为反射自光源发射且入射在反射相控阵装置上的光并电调节被反射相控阵装置反射的反射光的反射角，其中光源和反射相控阵装置被设置使得光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在反射相控阵装置上。
光源和反射相控阵装置可以被设置使得入射在反射相控阵装置上的光和由反射相控阵装置反射的反射光彼此不重叠。
反射相控阵装置可以包括多个天线共振器，所述多个天线共振器中的每个被独立驱动。
所述多个天线共振器中的每个可以包括：电极层；设置在电极层上的有源层；设置在有源层上与电极层背对的绝缘层；以及设置在绝缘层上与有源层背对的天线层。
电极层可以包括被配置为反射从光源发射的光的导电金属。
天线层可以具有鱼骨形状，且可以包括在第一方向上延伸的第一天线部分以及沿第一方向设置并且在第二方向上从第一天线部分延伸的多个第二天线部分。
反射光可以包括由反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于反射相控阵装置的多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，其中多个第二天线部分中的每个在第一方向上的长度被确定，使得直接反射光的强度等于共振散射光的强度。
光束扫描设备中，多个第二天线部分中的每个在第一方向上的长度可以基于光的入射角确定。
光束扫描设备中，天线层可以包括多个天线层，以及其中多个天线层中的每个在第一方向上延伸，并且在垂直于第一方向的第二方向上以预定的间隔设置。
反射光可以包括由反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于反射相控阵装置的多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，其中第二方向上的多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者被确定，使得直接反射光的强度等于共振散射光的强度，以及其中天线周期是一长度，多个天线层在第二方向上以该长度重复。
多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者可以基于入射在反射相控阵装置上的光的入射角确定。
光束扫描设备中，多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者可以小于相应于垂直入射在反射相控阵装置上的光的多个天线层之间的间隔或天线周期。
随着入射在反射相控阵装置上的光的入射角增大，多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者可以减小。
光束扫描设备中，基于施加至反射相控阵装置的电压和在反射相控阵装置上的光的波长，多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者可以被确定，使得直接反射光的强度等于共振散射光的强度。
光源和反射相控阵装置可以被设置使得光的行进方向平行于第一方向。
光源可以包括：被配置为发射第一入射光的第一光源，第一入射光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的第一入射角入射在反射相控阵装置上；以及被配置为发射第二入射光的第二光源，第二入射光以不同于第一入射角的第二入射角入射在反射相控阵装置上。
光束扫描设备中，由被反射相控阵装置反射的第一入射光产生的第一反射光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的第一反射角行进，且由被反射相控阵装置反射的第二入射光产生的第二反射光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的不同于第一反射角的第二反射角行进，以及其中光束扫描设备还可以包括光学元件，光学元件设置在第二反射光的行进路径上且被配置为改变第二反射光的行进方向。
光源和反射相控阵装置可以被设置使得入射在反射相控阵装置上的光的行进方向平行于第二方向。
光束扫描设备中，包括由反射相控阵装置以不同的角度反射的反射光的扫描平面可以垂直于第一方向。
光束扫描设备中，当入射光的入射角为θi，并且中心反射光的相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的反射角是θr时，反射相控阵装置被配置使得反射相控阵装置的相对于中心反射光的最大转向角θs满足θr-θs>-θi。
光束扫描设备中，当在第二方向上的多个天线层之间的间隔或天线周期为p，入射光相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角是θi，且中心反射光的相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的反射角是θr，其中λ是入射光的波长时，反射相控阵装置被配置使得反射相控阵装置的相对于中心反射光的最大转向角θs满足θi>0.5θs＝0.5sin-1(λ/2p)，以及天线周期是一长度，多个天线层在第二方向上以该长度重复。
反射相控阵装置可以包括多个天线层，以及多个天线层可以以第一方向上的第一间隔以及与第一方向垂直的第二方向上的第二间隔布置。
反射光可以包括由反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于反射相控阵装置的天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，其中，多个天线层之间的第一间隔和第二间隔可以被确定，使得直接反射光的强度等于共振散射光的强度。
根据一示例实施方式的一方面，提供一种光学设备，其包括：被配置为发射光的光源；反射相控阵装置，其被配置为反射来自光源且入射在反射相控阵装置上的发射光并电调节被反射相控阵装置反射的反射光的反射角；以及光检测器，其被配置为检测以来自反射相控阵装置的反射光照射的外部对象所反射的光，其中光源和反射相控阵装置被设置使得光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在反射相控阵装置上。
光学设备可以还包括控制器，其被配置为基于光检测器的对外部对象反射的光的检测确定外部对象的位置信息。
光学设备可以包括距离传感器、三维传感器或车辆雷达。
根据一示例实施方式的一方面，提供一种光束扫描设备，其包括：配置为发射光的光源；以及反射相控阵装置，其被配置为反射自光源发射且入射在反射相控阵装置上的光并电调节被反射相控阵装置反射的反射光的反射角，反射相控阵装置包括多个天线层，其中光源和反射相控阵装置被设置使得入射光以相对于反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角从光源入射在反射相控阵装置上，其中反射光包括由反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于反射相控阵装置的多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，以及其中多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者被确定，使得直接反射光的强度等于共振散射光的强度。
附图说明
由以下结合附图对示例实施方式的描述，以上和/或其他方面将变得明显并且更容易被理解，其中：
图1是根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构的剖视图；
图2是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构和操作的透视图；
图3是图1所示的光束扫描设备的相控阵装置的示意性结构的示意性剖视图；
图4A是示出相控阵装置的反射光的反射相移的相移分布的示例的曲线图，图4B是示出反射光的转向角分布的示例的曲线图；
图5A是示出相控阵装置的反射光的反射相移的相移分布的示例的曲线图，图5B是示出反射光的转向角分布的示例的曲线图；
图6是示出根据相控阵装置的天线周期和入射光的入射角的最小反射率的变化的曲线图；
图7是示出根据相控阵装置的天线之间的间隔和入射光的入射角的临界耦合条件的变化的曲线图；
图8是根据一示例实施方式的相控阵装置的天线周期和天线之间的间隔的示例的剖视图；
图9是示出根据一示例实施方式的0度入射光入射角时的复平面上的反射系数的曲线图；
图10是示出根据一示例实施方式的0度入射光入射角时相控阵装置中反射光的反射相位的示例的曲线图；
图11是示出无天线补偿设计情况下45度入射光入射角时复平面上的反射系数的曲线图；
图12是示出无天线补偿设计情况下45度入射光入射角时相控阵装置中反射光的反射相位的示例的曲线图；
图13是示出根据一示例实施方式的有天线补偿设计情况下45度入射光入射角时复平面上的反射系数的曲线图；
图14是示出根据一示例实施方式的当提供天线补偿设计时，在45度入射光入射角下相控阵装置中反射光的反射相位的示例的曲线图；
图15是根据一示例实施方式的具有天线补偿设计的相控阵装置的结构的俯视图；
图16是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构和操作的透视图；
图17是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构和操作的剖视图；
图18和19是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构和操作的透视图；
图20和21是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备的示意性结构和操作的透视图；
图22是示出根据一示例实施方式的光学设备的示意性结构的框图；以及
图23是示出用于车辆的LiDAR设备的根据一示例实施方式的光学设备的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述光束扫描设备和包括光束扫描设备的光学设备。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且为了清楚和描述的方便，每个元件在尺寸上可被夸大。示例实施方式仅是说明性的，并且根据这些示例实施方式各种修改可以是可能的。在下面描述的层结构中，诸如“上方”或“在......上”的表述不仅可以包括“一元件以接触方式直接在另一元件上、下或左侧或右侧的布置”的含义，还可以包括“一元件以非接触方式在另一元件上、下或左侧或右侧的布置”的含义。
当在本文中使用时，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或更多个项目的任一和全部组合。诸如“中的至少一个”的表述，当其放在一列元素之后时，修饰整列元素，不修饰该列中的单个元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应当被理解为包括仅a、仅b、仅c、a和b两者、a和c两者、b和c两者或者a、b和c全部。
将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”表明所述及的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个另外的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或者添加。
图1是根据一示例实施方式的光束扫描设备100的示意性结构的剖视图。参照图1，根据一示例实施方式的光束扫描设备100可包括发射光的光源120和反射自光源120发射的光并且电控制反射光的反射角的反射相控阵装置110。光源120可以是例如发射约800nm至约1500nm的波段中的近红外线的激光二极管(LD)或发光二极管(LED)，但是实施方式不限于此。
根据本示例实施方式，光源120和反射相控阵装置110可以被布置成使得从光源120发射的入射在反射相控阵装置110上的光的行进方向相对于反射相控阵装置110的反射表面的法线倾斜。例如，如图1所示，光源120可以布置成使得光源120的光轴相对于反射相控阵装置110的表面倾斜。
图2是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备100的示意性结构和操作的透视图。参考图2，反射相控阵装置110可包括独立操作的多个天线共振器101。每个天线共振器101可以包括沿第一方向延伸的天线层114。所述多个天线层114可以在垂直于第一方向的第二方向上以规则的间隔排列。根据本示例实施方式，入射光L被反射的方向可以根据施加到所述多个天线共振器101的电压的组合来被调整。
例如，图3是图1所示的光束扫描设备100的反射相控阵装置110的天线共振器101的示意性结构的剖视图。参见图3，每个天线共振器101包括电极层111、布置在电极层111上的有源层(active layer)112、布置在有源层112上的绝缘层113、以及布置在绝缘层113上的纳米级的天线层114。图3示出了布置在绝缘层130上的一个天线层114，但是实施方式不限于此，天线共振器101可包括以规则间隔布置在绝缘层113上的多个天线层114。
电极层111可以作为公共电极工作并且可以由导电材料形成。电极层111也可以由反射从光源120发射的光的材料形成。例如，电极层111可以由诸如铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、锌(Zn)、钛(Ti)、钌(Ru)、铑(RH)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、金(Au)或其合金的金属形成，或者包括金(Au)或银(Ag)的金属纳米颗粒分散薄膜。另外，除金属之外，电极层111也可以包括碳纳米结构或导电聚合物材料。
天线层114可以作为关于光的天线工作，可以相对于预定波长的光产生局域表面等离子体共振，并且捕获和释放其能量。表面等离子体共振是一种现象，其中当光入射在金属上时，由于金属中的自由电子的集体振荡而在金属表面上局部地产生非常高的电场。表面等离子体共振通常可以发生在金属和非金属之间的界面处。为此，天线层114可以由具有优异导电性的金属材料形成，例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)或铂(Pt)。天线层114的尺寸和形状可以根据入射光的波长而变化。例如，天线层114的尺寸可以小于从光源120发射的光的波长。例如，当从光源120发射的光的工作波长是可见光或近红外光时，天线层114的宽度或长度可以是约400nm或更小。另外，虽然天线层114可以具有简单的杆形状，但是实施方式不限于此，天线层114可以具有各种图案，例如圆形、椭圆形或十字形。
绝缘层113使天线层114与有源层112和电极层111电绝缘。例如，绝缘层113可以是诸如二氧化铪(HfO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO)或类似物的氧化物膜，或诸如硅氮化物(SiNx)的氮化膜。
有源层112可以工作以随着有源层112内的电荷密度被电信号例如在电极层111和天线层114之间形成的电场改变而改变天线层114的共振特性。例如，通过在电极层111和天线层114之间形成的电场，在有源层112中可以形成电荷积累层或电荷耗尽层115，以改变共振条件，从而改变反射光的相位。有源层112可以由从由诸如钽铌酸钾(KTN)、铌酸锂(LiNbO3)和锆钛酸铅(PZT)的结晶材料，诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、铝锌氧化物(AZO)、镓锌氧化物(GZO)或镓铟锌氧化物(GIZO)的锌氧化物(ZnO)基材料，诸如钛氮化物(TiN)、锆氮化物(ZrN)、铪氮化物(HfN)或钽氮化物(TaN)的过渡金属氮化物，以及诸如硅(Si)、a-Si或III-V族化合物半导体的半导体材料构成的组选出的材料形成。
在具有上述结构的光束扫描设备100中，有源层112内的电荷密度根据电极层111和天线层114之间的电场的强度而变化。随着公共电压被施加至电极层111，尤其根据施加到多个天线层114的电压的分布，有源层112中的电荷密度分布可以改变。有源层112中的电荷密度的改变可以改变天线层114的共振特性，并且改变了的共振特性可以引起天线层114反射的光的相移，从而改变反射光的相位。因此，由于反射光的相移分布基于施加到彼此相邻布置的多个天线层114的电压的分布来确定，所以可以通过调整施加到所述多个天线层114的电压来控制反射光的行进方向。光束扫描设备100可以以上述方式反射入射光，以沿所需方向电扫描反射光。
再参考图2，从光源120发射的入射光L关于反射相控阵装置110的表面法线以一角度入射。例如，当在与每个天线层114延伸的第一方向平行的方向上前进的同时，入射光L可以以一角度入射在反射相控阵装置110的表面上。然后，由相控阵装置110反射的反射光可以以一反射角反射，该反射角与入射光L的入射角关于反射相控阵装置110的表面法线对称。
当没有电压施加到相控阵装置110时，入射光L的行进方向不被改变，因此产生在平行于第一方向的方向上行进的反射光R0。在下文中，反射光R0将被称为中心反射光。另一方面，当电压被施加至相控阵装置110时，入射光L的行进方向在方位角方向(azimuthdirection)上改变，并且在相对于第一方向倾斜的方向上行进的反射光R1至R6被产生。相对于第一方向的倾斜度，即方位角方向上的角度，可以根据施加到相控阵装置110的多个天线共振器101的电压的组合而改变。而且，当入射光L的行进方向在方位角方向上改变时，相对于相控阵装置110的表面法线的反射角保持恒定。因此，在图1和图2中所示的示例实施方式中，光束扫描设备100在方位角方向上扫描光束。
根据本示例实施方式，从光源120入射到相控阵装置110的入射光L与由相控阵装置110反射的反射光R0到R6彼此不重叠和混合。因此，对光束扫描设备100扫描的区域没有限制。另外，不需要使用分束器来将入射光L和反射光R0至R6彼此分离，于是光束可以被扫描或者反射光R0至R6可以被检测而没有光的损失。因此，由于光利用效率可以被提高，所以可以增大可检测范围并且可以减小光束扫描设备100的功耗。
对于更精确的光束扫描，当入射光L以一角度入射时，相控阵装置110导致的反射光的更大的相移宽度可以是有利的。换句话说，反射光的相位可以优选地被从0度移位直到360度。例如，图4A是示出相控阵装置的反射光的相对大的反射相移的相移分布的示例——例如当从0度到360度的相移能得到时——的曲线图，图4B是示出反射光的转向角分布的示例的曲线图。图5A是示出相控阵装置110的反射光的相对不充分的反射相移的相移分布的示例——例如当仅从0度到180度的相移能得到时——的曲线图，图5B是示出反射光的转向角分布的示例的曲线图。参考图4B，当相控阵装置110表现出从0度到360度的反射光的相移时，大多数光束集中在预期的角度范围内，于是光束可以被更精确地转向到期望的位置。另一方面，当相控阵装置110表现出仅从0度到180度的反射光的相移时，如图5B所示，不同于以预期角度转向的光束的侧部光的比率增加，从而导致低方向性和低信噪比的性能劣化。
为了相控阵装置110表现出从0度直到360度的反射光的相移，相控阵装置110可以被设计以满足关于入射光的临界耦合条件。临界耦合条件可以是在发射自相控阵装置110的光中相控阵装置110中的直接反射和共振散射具有相等比例的条件。如果直接反射更多，则欠耦合发生，而如果共振散射更多，则过耦合发生并且降低相控阵装置110的相位调制的程度。
临界耦合条件根据入射光的入射角改变，因此可以通过考虑入射光的入射角来设计相控阵装置110。例如，图6是示出根据相控阵装置110的天线周期和入射光的入射角的最小反射率的变化的曲线图。图7是示出根据相控阵装置110的天线之间的间隔和入射光的入射角的临界耦合条件的变化的曲线图；图8是相控阵装置110的天线周期和天线之间的间隔的示例的剖视图。相控阵装置110的天线周期和天线层114之间的间隔可以如图8所示地定义。参见图8，相控阵装置110的天线周期p是一长度，经过该长度天线层114每个被重复，并且天线层114之间的间隔g是两个相邻天线层114之间的距离。此外，天线层114的宽度w是一个天线层114沿第二方向的长度。天线周期p可以等于天线层114的宽度w和天线层114之间的间隔g之和。
再参考图6，在0度入射角情况下，即当入射光垂直入射在相控阵装置110的反射表面上时，共振在约780nm的相控阵装置110的天线周期p下发生，且具有最小反射率。入射角越大，即随着入射光以相对于相控阵装置110的表面法线的更大的倾斜度入射在相控阵装置110的反射表面上，提供最小反射率的天线周期p减小。例如，在45度入射角时，共振在约550nm的相控阵装置110的天线周期p下发生，且具有最小反射率。另外，参见图7，随着入射角增大，发生临界耦合的相控阵装置110的天线层114之间的间隔g减小。例如，在0度入射角情况下，临界耦合在天线层114之间的间隔g为约600nm或更大的情况下发生。然而，在45度入射角时，临界耦合在天线层114之间的间隔g为约400nm或更小的情况下发生。
因此，在入射光以一角度入射在相控阵装置110上的配置中，通过考虑入射光的入射角，可以进行补偿设计，该补偿设计将天线周期p和天线层114之间的间隔g减小至相比于入射光垂直入射在相控阵装置110上时更小。在没有如上所述的补偿设计的情况下，除以预期角度转向的光束外的侧部光的比例增加，并且这可降低方向性并减小信噪比，如图5B所示。
图9是示出在0度入射光入射角下复平面上的反射系数的示例的曲线图。图10是在0度入射光入射角下相控阵装置110中的反射光的反射相位的示例的曲线图。在图9和图10的曲线图中，假设天线层114之间的间隔g是150nm，并且每个天线层114的宽度w是160nm。
在图9中，标有‘-◆-’的圆圈表示当向天线层114和电极层111中的每一个施加+4V的电压时根据入射光波长的变化的反射系数的轨迹，并且图形‘◆’的位置是入射光波长为1.4μm时反射系数的位置。另外，标有‘-■-’的圆圈表示当-4V和+4V的电压分别施加到天线层114和电极层111时根据入射光波长的变化的反射系数的轨迹，图形‘■’的位置是入射光的波长为1.4μm时反射系数的位置。另外，标有‘-▲-’的圆圈表示当向天线层114和电极层111中的每一个施加0V的电压时根据入射光的波长的变化的反射系数的轨迹，并且图形‘▲’的位置是入射光波长为1.4μm时反射系数的位置。最后，标有‘-●-’的圆圈表示当向天线层114和电极层111中的每一个施加-4V的电压时根据入射光波长的变化的反射系数的轨迹，并且图形‘●’的位置是入射光波长为1.4μm时反射系数的位置。
参见图10，对应于0V和0V的电压分别施加到天线层114和电极层111时的反射光的反射相位被定义为0度，并且对应于-4V和-4V的电压分别施加到天线层114和电极层111时反射光的反射相位、对应于-4V和+4V的电压分别施加时的反射光的反射相位、以及对应于+4V和+4V的电压分别施加时的反射光的反射相位被顺序示出。例如，当+4V和+4V的电压分别施加到天线层114和电极层111时，反射光的反射相位为约272度。因此，当具有1.4μm的波长的入射光垂直入射在其中天线层114之间的间隔g为150nm并且天线层114的宽度w为160nm的相控阵装置110上时，相控阵装置110可以表现出从0度到272度的反射光的相移。
图11是示出在没有天线补偿设计的情况下在45度入射光入射角时复平面上的反射系数的曲线图。图12是示出在没有补偿设计的情况下在45度入射光入射角时相控阵装置110中的反射光的反射相位的示例的曲线图。换句话说，图11和12示出了一示例实施方式，其中天线层114之间的间隔g和天线层114的宽度w分别保持在150nm和160nm，并且具有1.4μm的波长的入射光被发射并且相对于相控阵装置110的表面法线以45度入射在相控阵装置110上。参考图12，当+4V和+4V的电压分别施加到天线层114和电极层111时，反射光的相移为约25度。因此，当具有1.4μm的波长的入射光以45度入射在其中天线层114之间的间隔g为150nm并且天线层114的宽度w为160nm的相控阵装置110上时，相控阵装置110可以显示出仅从0度到25度的反射光的相移。
图13是示出具有天线补偿设计的情况下45度入射光入射角时复平面上的反射系数的曲线图，图14是示出具有天线补偿设计的情况下45度入射光入射角时相控阵装置110中的反射光的反射相位的示例的曲线图。图13和14示出一示例实施方式，其中天线层114之间的间隔g和天线层114的宽度w分别减小到60nm和152nm，并且具有1.4μm的波长的入射光被发射且以45度入射在相控阵装置110上。参考图14，当+4V和+4V的电压分别施加到天线层114和电极层111时，反射光的相移为约269度。因此，当具有1.4μm的波长的入射光以45度入射在其中天线层114之间的间隔g为60nm并且天线层114的宽度w为152nm的相控阵装置110上时，相控阵装置110可以显示出从0度到269度的反射光的相移。因此，通过执行天线的补偿设计，可以保持与具有1.4μm的波长的入射光垂直入射在其中天线层114之间的间隔g为150nm并且天线层114的宽度w为160nm的相控阵装置110上时相似的相移的性能。
另一方面，临界耦合条件还可受入射光的波长和施加到相控阵装置110的电压的幅值的影响。例如，参见图9至14，施加从-4V至+4V的电压，并且入射光的波长为1.4μm。然而，当要施加的电压和入射光的波长被改变时，通过考虑改变的电压和改变的波长，天线层114之间的间隔g和天线层114的宽度w可以被选择以满足临界耦合条件。
虽然上面已经描述了通过调整天线层114之间的间隔g和天线层114的宽度w来进行的天线补偿设计，但是也可以通过修改天线层114的形状来进行天线补偿设计。例如，图15是具有天线补偿设计的相控阵装置的结构的俯视图。参考图15，天线层114可以具有鱼骨形状，该鱼骨形状包括在第一方向上延伸的第一天线部分114a以及在第一方向上排列并在第二方向上从第一天线部分114a延伸的多个第二天线部分114b。在此示例中，可以通过调整第一天线部分114a的宽度、天线层114之间的间隔或第一方向上第二天线部分114b的长度l来满足临界耦合条件。例如，可以选择第二天线部分114b在第一方向上的长度l，使得关于入射光相对于相控阵装置110的反射表面的表面法线的入射角，相控阵装置110导致的直接反射光的强度等于共振散射光的强度。
图16是示出根据另一示例实施方式的光束扫描设备200的示意性结构和操作的透视图。图16中示出的光束扫描设备200可以包括提供光的多个光源120a、120b和120c以及反射从所述多个光源120a、120b和120c发射的光并且电调节反射光的反射角的反射相控阵装置110。另外，所述多个光源120a、120b和120c可以包括：第一光源120a，其提供以相对于相控阵装置110的反射表面的表面法线的第一入射角θ1入射在相控阵装置110上的光；第二光源120b，其提供以不同于第一入射角θ1的第二入射角θ2入射在相控阵装置110上的光；以及第三光源120c，其提供以不同于第一和第二入射角θ1和θ2的第三入射角θ3入射在相控阵装置110上的光。
从第一至第三光源120a、120b和120c发射的光全部在与相控阵装置110的天线层114延伸的第一方向平行的方向上前进，并且成角度入射在相控阵装置110的表面上，并且在第一至第三光源120a、120b和120c之间仅相对于相控阵装置110的入射角不同。由于相对于相控阵装置110的入射角不同，所以从第一至第三光源120a、120b和120c发射的光被相控阵装置110以不同的反射角反射，但是可以被相控阵装置110在方位角方向上相同地扫描。因此，虽然在图1所示的示例实施方式中可以仅执行方位角方向上的一维光束扫描，但是在图16所示的示例实施方式中，可以通过使用第一至第三光源120a、120b和120c在方位角方向和高度角方向上进行二维光束扫描。第一至第三光源120a、120b和120c可以同时或顺序地发射光。
图17是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备200a的示意性结构和操作的剖视图。参考图17，光束扫描设备200a可以包括光学元件130a和130b，光学元件130a和130b进一步将反射光的行进方向折射到高度角方向。光束扫描设备200a的其他元件可以与图16所示的光束扫描设备200的元件相同。例如，光学元件130a和130b可以包括：第一光学元件130a，其布置在反射光R'的光路上，使得随着从第二光源120b发射的入射光L'被相控阵装置110反射而产生的反射光R'降低反射光R'的高度角方向；以及第二光学元件130b，其布置在反射光R”的光路上，使得随着从第三光源120c发射的入射光L”被相控阵装置110反射而产生的反射光R”提高反射光R”的高度角方向。
此外，当第一至第三光源120a、120b和120c被布置成使得从第一至第三光源120a、120b和120c发射的所有光都在满足临界耦合条件的相对窄的入射角范围内时，通过使用第一和第二光学元件130a和130b改变反射光的高度角方向，可以在相对宽的高度角范围内进行二维光束扫描。例如，第一和第二光学元件130a和130b可以包括棱镜、柱面透镜、楔形光学板、衍射光学元件或类似物。
图18和19是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备300的示意性结构和操作的透视图。参见图18和19，光束扫描设备300的相控阵装置110可包括二维布置的多个天线共振器。因此，多个天线层114可以二维地布置在相控阵装置110的反射表面上。例如，所述多个天线层114可以以第一方向上的第一间隔g1和垂直于第一方向的第二方向上的第二间隔g2布置。可以分别选择所述多个天线层114之间的第一间隔g1和第二间隔g2以满足关于第一方向和第二方向的临界耦合条件。例如，可以选择所述多个天线层114之间的第一间隔g1和第二间隔g2，使得相控阵装置110导致的直接反射光的强度等于共振散射光的强度。通过使用光束扫描设备300，可以通过施加到二维布置的多个天线共振器的电压的组合对于以一角度入射的一束入射光进行二维光束扫描。
图20和21是示出根据一示例实施方式的光束扫描设备400的示意性结构和操作的透视图。图20和图21中所示的光束扫描设备400具有与图1所示的光束扫描设备100相似的结构，但是光束扫描设备400的光源120垂直于图1所示的光束扫描设备100的光源120的布置方向布置。因此，从光源120发射的入射光可以在垂直于每个天线层114延伸的第一方向的第二方向上前进，并且可以以一角度入射在相控阵装置110的表面上。例如，光源120和相控阵装置110被布置成使得从光源120入射到相控阵装置110的入射光的行进方向平行于第二方向。
根据本示例实施方式，可以在垂直于相控阵装置110的表面的平面上执行光束扫描。例如，反射光的行进方向可以在高度角方向上被控制。因此，包括被相控阵装置110以不同角度反射的反射光的扫描平面垂直于第一方向形成。根据本示例实施方式，光束扫描区域和入射光位于单个平面上，于是相控阵装置110可以更容易地集成。
当反射光的反射角太大使得反射光与入射光重叠并混合时，准确的检测可能不被进行。因此，为了防止或减少相控阵装置110导致的反射光的反射角的过度增大，该过度增长降低检测准确性，例如，当入射光相对于相控阵装置110的反射表面的法线的入射角是θi且无电压施加到相控阵装置110时的中心反射光的反射角是θr时，相控阵装置110可以被配置或控制，使得相对于中心反射光的相控阵装置110的最大转向角θs满足θr-θs>-θi。
当布置在相控阵装置110中的多个天线层114反射的反射光的0度相移和180度相移被重复时，获得最大转向角θs。例如，当操作相控阵装置110使得第一天线层导致的反射光的相移为0度，第二天线层导致的反射光的相移为180度，第三天线层导致的反射光的相移再次为0度，并且第四天线层导致的反射光的相移再次为180度时，获得相控阵装置110导致的反射光的最大反射角。因此，相移模式的周期是相控阵装置110的天线周期p的两倍。在此示例中，相控阵装置110导致的一阶衍射角，即最大转向角θs，可以被表示为θs＝sin-1(λ/2p)，其中λ是入射光的波长。另外，中心反射光的反射角θr等于入射光的入射角θi，于是θr＝θi且θi-θs>-θi，从而建立θi>0.5θs＝0.5sin-1(λ/2p)。
光束扫描设备100、200、300和400可以包括在光学设备中，例如，诸如用于车辆的光探测和测距(LiDAR)传感器的三维传感器，或者用在三维相机中以提高光学设备的精度的深度传感器。例如，图22是示出根据一示例实施方式的光学设备1000的示意性结构的框图。
参见图22，根据一示例实施方式的光学设备1000可包括提供光的光源120，反射来自光源120的光且电调节反射光的反射角的反射相控阵装置110，检测从光源120发射且由外部对象反射的光的光检测器140，以及基于光检测器140的测量结果计算关于外部对象的信息的控制器或处理器150。控制器150可以控制相控阵装置110、光源120和光检测器140的操作。例如，控制器150可以控制光源120和光检测器140的开/关操作、以及相控阵装置110的光束扫描操作。光学设备1000可以通过使用光束扫描设备100、200、300或400周期性地将光照射到附近的多个区域，以获取关于附近多个位置处的对象的信息。根据按照示例实施方式的光束扫描设备100、200、300或400，在相控阵装置110中入射光和反射光可以彼此不重叠，于是光学设备1000可以获取关于外部对象的更准确的信息。
此外，除了三维传感器或深度传感器之外，光学设备1000可以用于机器人的LiDAR、无人机的LiDAR、安全用途入侵者监视***、地铁屏蔽门障碍物检测***、面部识别传感器、动作识别和对象感知装置等。
例如，图23是示出根据一示例实施方式的光学设备1000的示意性结构的视图，该光学设备1000用于车辆的LiDAR。参考图23，光学设备1000可以安装在车辆V中，并且通过在车辆V行进的前方区域中扫描光束来检测车辆V前方的各种对象OBJ1和OBJ2。当光学设备1000用于车辆的LiDAR时，光学设备1000可以计算诸如相对于车辆V的前方或后方的对象OBJ1和OBJ2的距离或对象OBJ1和OBJ2的相对速度或方位角位置等等的信息。例如，控制器150可以通过使用从光源120发射光的时刻与光检测器140已经检测到光的时刻之间的时间差来确定相对于对象OBJ1和OBJ2的距离，并且可以基于通过使用光束扫描设备100、200、300和400照射光的位置检测对象OBJ1和OBJ2的方位角位置。此外，控制器150可以基于从光源120发射光的时刻与光检测器140检测到光的时刻之间的时间差的变化，确定相对于对象OBJ1和OBJ2的相对速度。另外，当光学设备1000是三维相机的距离传感器时，控制器150可以估计与相对于相机的视野内的各种对象的距离相关的距离信息。
应理解，这里描述的示例实施方式应仅在描述的意义上被考虑，而不是为了限制的目的。对每种示例实施方式中的特征或方面的描述通常应当被看作可用于其他示例实施方式中的其他类似特征或方面。
虽然已经参考附图描述了一个或更多个示例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求定义的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
本申请要求于2018年3月23日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请第62/647,229号以及于2018年6月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0070421号的权益，其公开通过引用被全文合并与此。

Claims (27)

1.一种光束扫描设备，包括：
配置为发射光的光源；以及
反射相控阵装置，其被配置为反射自所述光源发射且入射在所述反射相控阵装置上的光并电调节被所述反射相控阵装置反射的反射光的反射角，
其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得所述光以相对于所述反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在所述反射相控阵装置上。
2.如权利要求1所述的光束扫描设备，其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得入射在所述反射相控阵装置上的所述光和由所述反射相控阵装置反射的所述反射光彼此不重叠。
3.如权利要求1所述的光束扫描设备，其中，所述反射相控阵装置包括多个天线共振器，所述多个天线共振器中的每个被独立驱动。
4.如权利要求3所述的光束扫描设备，其中所述多个天线共振器中的每个包括：
电极层；
设置在所述电极层上的有源层；
设置在所述有源层上与所述电极层背对的绝缘层；以及
设置在所述绝缘层上与所述有源层背对的天线层。
5.如权利要求4所述的光束扫描装置，其中，所述电极层包括被配置为反射从所述光源发射的光的导电金属。
6.如权利要求4所述的光束扫描设备，其中，所述天线层具有鱼骨形状，且包括在第一方向上延伸的第一天线部分以及沿所述第一方向设置并且在第二方向上从所述第一天线部分延伸的多个第二天线部分。
7.如权利要求6所述的光束扫描设备，其中，所述反射光包括由所述反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于所述反射相控阵装置的所述多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，
其中，所述多个第二天线部分中的每个在所述第一方向上的长度被确定，使得所述直接反射光的强度等于所述共振散射光的强度。
8.如权利要求7所述的光束扫描设备，其中，所述多个第二天线部分中的每个在所述第一方向上的长度基于所述光的所述入射角确定。
9.如权利要求4所述的光束扫描设备，其中，所述天线层包括多个天线层，以及
其中所述多个天线层中的每个在第一方向上延伸，并且在垂直于所述第一方向的第二方向上以预定的间隔设置。
10.如权利要求9所述的光束扫描设备，其中，所述反射光包括由所述反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于所述反射相控阵装置的所述多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，
其中，所述第二方向上的所述多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者被确定，使得所述直接反射光的强度等于所述共振散射光的强度，以及
其中，所述天线周期是一长度，所述多个天线层在所述第二方向上以该长度重复。
11.如权利要求10所述的光束扫描设备，其中，所述多个天线层之间的所述间隔和所述天线周期至少一者基于入射在所述反射相控阵装置上的所述光的所述入射角确定。
12.如权利要求10所述的光束扫描设备，其中，所述多个天线层之间的所述间隔和所述天线周期至少一者小于相应于垂直入射在所述反射相控阵装置上的光的多个天线层之间的间隔或天线周期。
13.如权利要求10所述的光束扫描设备，其中，随着入射在所述反射相控阵装置上的所述光的所述入射角增大，所述多个天线层之间的所述间隔和所述天线周期至少一者减小。
14.如权利要求10所述的光束扫描设备，其中，基于施加至所述反射相控阵装置的电压和入射在所述反射相控阵装置上的所述光的波长，所述多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者被确定，使得所述直接反射光的强度等于所述共振散射光的强度。
15.如权利要求9所述的光束扫描设备，其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得入射在所述反射相控阵装置上的所述光的行进方向平行于所述第一方向。
16.根据权利要求15所述的光束扫描设备，其中，所述光源包括：
被配置为发射第一入射光的第一光源，所述第一入射光以相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的第一入射角入射在所述反射相控阵装置上；以及
被配置为发射第二入射光的第二光源，所述第二入射光以不同于所述第一入射角的第二入射角入射在所述反射相控阵装置上。
17.如权利要求16所述的光束扫描设备，其中，由被所述反射相控阵装置反射的所述第一入射光产生的第一反射光以相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的第一反射角行进，且由被所述反射相控阵装置反射的所述第二入射光产生的第二反射光以相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的不同于所述第一反射角的第二反射角行进，以及
其中，所述光束扫描设备还包括光学元件，所述光学元件设置在所述第二反射光的行进路径上且被配置为改变所述第二反射光的行进方向。
18.如权利要求9所述的光束扫描设备，其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得入射在所述反射相控阵装置上的所述光的行进方向平行于所述第二方向。
19.如权利要求18所述的光束扫描设备，其中，包括由所述反射相控阵装置以不同的角度反射的反射光的扫描平面垂直于所述第一方向。
20.如权利要求18所述的束扫描设备，其中，当所述入射光的所述入射角为θi，并且中心反射光的相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的反射角是θr时，所述反射相控阵装置被配置使得所述反射相控阵装置的相对于所述中心反射光的最大转向角θs满足θr-θs>-θi。
21.如权利要求18所述的光束扫描设备，其中，当在所述第二方向上的所述多个天线层之间的间隔或天线周期为p，入射光相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的入射角是θi，且中心反射光的相对于所述反射相控阵装置的所述反射表面的法线的反射角是θr，其中λ是所述入射光的波长时，所述反射相控阵装置被配置使得所述反射相控阵装置的相对于所述中心反射光的最大转向角θs满足θi>0.5θs＝0.5sin-1(λ/2p)，以及
其中，所述天线周期是一长度，所述多个天线层在所述第二方向上以该长度重复。
22.如权利要求4所述的光束扫描设备，其中，所述反射相控阵装置包括多个天线层，以及
所述多个天线层以第一方向上的第一间隔以及与所述第一方向垂直的第二方向上的第二间隔布置。
23.如权利要求22所述的光束扫描设备，其中，所述反射光包括由所述反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于所述反射相控阵装置的所述天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，
其中，所述多个天线层之间的所述第一间隔和所述第二间隔被确定，使得所述直接反射光的强度等于所述共振散射光的强度。
24.一种光学设备，包括：
被配置为发射光的光源；
反射相控阵装置，其被配置为反射从所述光源发射且入射在所述反射相控阵装置上的光并电调节被所述反射相控阵装置反射的反射光的反射角；以及
光检测器，其被配置为检测以来自所述反射相控阵装置的所述反射光照射的外部对象所反射的光，
其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得所述光以相对于所述反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在所述反射相控阵装置上。
25.如权利要求24所述的光学设备，还包括控制器，其被配置为基于所述光检测器的对所述外部对象反射的光的检测，确定所述外部对象的位置信息。
26.如权利要求24所述的光学设备，其中，所述光学设备包括距离传感器、三维传感器或车辆雷达。
27.一种光束扫描设备，包括：
配置为发射光的光源；以及
反射相控阵装置，其被配置为反射自所述光源发射且入射在所述反射相控阵装置上的光并电调节被所述反射相控阵装置反射的反射光的反射角，所述反射相控阵装置包括多个天线层，
其中，所述光源和所述反射相控阵装置被设置使得所述光以相对于所述反射相控阵装置的反射表面的法线的入射角入射在所述反射相控阵装置上，
其中，所述反射光包括由所述反射相控阵装置直接反射的直接反射光以及基于所述反射相控阵装置的多个天线共振器中的每个中的共振而产生的共振散射光，以及
其中，所述多个天线层之间的间隔和天线周期至少一者被确定，使得所述直接反射光的强度等于所述共振散射光的强度。
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