CN110832347A - 用于高性能光学扫描仪的聚焦区光学元件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光学设备(20)，其包括光源(22)以及至少一个扫描镜(26)，其中该光源(22)被配置为发射给定波长的光束，该至少一个扫描镜(26)被配置为用光束扫过目标场景(24)。光收集光学器件包括收集光学器件(32)以及非成像光学元件(21，60)，该收集光学器件(32)被定位成接收从至少一个扫描镜反射的来自场景的光并将所收集的光聚焦到焦平面(34)上，该非成像光学元件(21，60)包括在给定波长下透明的固体材料件。非成像光学元件(21，60)具有位于集光透镜的焦平面上的前表面(37，62)，还具有后表面，经由该后表面被引导的光从位于传感器(38)附近的材料射出，使得所收集的光被引导穿过材料并扩散到传感器的检测区域。

Description

用于高性能光学扫描仪的聚焦区光学元件
技术领域
本发明整体涉及光电设备，尤其涉及光学扫描仪。
背景技术
光学扫描仪广泛用于光学探测扩展物体或目标场景。在典型的扫描仪中，光源发出光束；光束借助例如扫描镜扫过物体；然后，从物体返回的光被收集光学器件收集，并被导向传感器。传感器向控制器发出信号进行进一步分析。
高性能光学扫描仪通常使用高功率光束和高速扫描仪，以便以高时间分辨率和高空间分辨率以及良好的信噪比来采样和感测远处目标场景。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了改进的光学扫描仪和扫描方法。
因此，根据本发明的实施方案，提供了一种光学设备，所述光学设备包括：光源，所述光源被配置为发射给定波长的光束；至少一个扫描镜，所述至少一个扫描镜被配置为用所述光束扫描目标场景；以及传感器，所述传感器具有检测区域。光收集光学器件包括收集光学器件，其定位成接收从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光，并将所述收集的光聚焦到焦平面上。非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件，具有位于所述集光透镜的所述焦平面上的前表面，还具有后表面，经由所述后表面所引导的光从位于所述传感器附近的所述材料射出，使得所收集的光被引导穿过所述材料并扩散到所述传感器的所述检测区域。
在公开的实施方案中，所述非成像光学元件的所述后表面与所述传感器接触，并且所述非成像光学元件包括复合抛物面聚光器(CPC)。所述材料可以包括硅或玻璃。
在一些实施方案中，所述光束包括光脉冲束，并且所述传感器被配置为输出指示单个光子在所述传感器上的入射时间的信号。控制器被配置为响应于所述信号来获得所述光脉冲往返于所述场景中的点的飞行时间。
根据本发明的实施方案，还提供了一种感测方法，所述感测方法包括使用至少一个扫描镜以给定波长的光束扫过目标场景。从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光被收集并聚焦到所述焦平面上。将非成像光学元件的前表面定位在所述焦平面上，所述非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件。使用位于所述非成像光学元件的后表面附近的传感器感测所述收集的光，所述非成像光学元件将所述收集的光扩散到所述传感器的检测区域上。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的具有非成像光学元件的光学扫描仪的示意性侧视图；
图2是根据本发明的一个实施方案的非成像光学元件的示意性绘画视图，其中光线穿过该元件；并且
图3是根据本发明的另一个实施方案的非成像光学元件的示意性绘画视图，其中光线穿过该元件。
具体实施方式
概述
高性能光学扫描仪，例如光检测和测距(LiDAR)传感器，通常使用高强度光束和高速扫描仪，以便以高空间分辨率和高时间分辨率以及良好的信噪比来采样和感测远处目标场景。到目标场景的距离可以从几十厘米到几百米。
由光源发射的光束通过高速扫描仪扫过目标场景，例如通过快速振荡扫描镜扫描。从场景返回的光被扫描镜(上述扫描镜或与上述镜同步的另一个镜)反射向集光透镜。成像集光透镜将返回的光聚焦到传感器上的一个小光斑，并且由传感器发出的信号被控制器接收用于进一步分析。
该应用中采用高速扫描仪来使测量速率最大化。在非常高的角速度下，光的往返时间会在接收器处产生滞后角。为了补偿由于扫描仪引起的聚焦光斑的偏差，需要大的感测区域。此外，返回光和散射光的小聚焦光斑都具有非常高的辐照度，这可能损坏传感器并可能降低检测效率。
滞后角γ由下式给出：
γ＝2τω0θ0，
其中ω0和θ0分别是扫描仪频率和振幅，并且是延迟时间，其由下式给出：
τ＝2R/c，
其中，R是到场景的距离，c是光速。集光透镜的焦平面中条纹的长度L由下式给出：
L＝2γf＝4τω0θ0f，
其中f是集光透镜的焦距长度。
本文所述的本发明的实施方案解决了上述限制，从而能够使用具有高带宽、低暗噪声以及损坏和饱和可能性降低了的传感器来实现高速、高分辨率光学扫描仪。所公开的实施方案使用一种非成像光学元件，该非成像光学元件由固体介电材料片制成，并且位于收集光学器件的焦平面和传感器之间。这种布置结构至少具有以下优点：
1)从目标场景返回并由收集光学器件聚焦的光束被扩散至传感器上的比焦平面中的光斑大的区域；
2)光束在传感器上稳定在基本上与镜速度和目标距离无关的位置；以及
3)将固体介电材料用于非成像光学原件增加了其接受角(数值孔径)。
相对于在没有非成像光学器件的情况下原本可能需要非成像光学元件，使用非成像光学元件能够减小传感器的检测区域，以及降低传感器上的峰值辐照度。相比于在没有额外聚焦元件的情况下本能够以其他方式实现，这两个优点可以带来更大的信号带宽和更长的检测范围。
本发明公开的实施方案提供了光学扫描仪，其中光源可以是非激光源(例如热源、固态源或气体放电源)或激光源(连续波或脉冲)。这种扫描仪可用于深度绘制***，例如激光雷达，其中光源是脉冲激光源，传感器是单光子雪崩二极管(SPAD)，控制器通过飞行时间分析得出距目标场景的距离。
在另选实施方案中，可以使用其他高灵敏度传感器，例如雪崩光电二极管(APD)。
***描述
图1是根据本发明的一个实施方案的具有非成像光学元件21的光学扫描仪20的示意性侧视图。以给定波长发射的来自光源22(例如连续波或脉冲激光器)的光束被扫描镜26导向目标场景24，在目标场景上形成并扫描照明光斑28。(本文使用的术语“光”和“照明”是指任何种类的光辐射，包括可见光、红外和紫外范围的辐射。)从照明光斑28返回的光被扫描镜26和分束器30反射向集光透镜32，该集光透镜32将光作为光线35聚焦在其焦平面34上。
非成像光学元件21的前表面37位于焦平面34处或其附近，后表面39位于传感器38处或其附近，传感器38例如是光电二极管、SPAD或APD。非成像光学元件21由在给定波长下透明的固体材料件制成，并且被配置为将集光透镜32聚焦的光扩散到传感器38的检测区域上。前表面37和后表面39分别涂有合适的抗反射涂层，以使这些表面的反射损失最小化。
控制器40连接到光源22、扫描镜26和传感器38。控制器40通常包括可编程处理器，该可编程处理器以软件和/或固件编程来执行本文所述的功能。附加地或另选地，控制器40的至少一些功能可以由硬件逻辑电路来执行，该硬件逻辑电路可以是硬连线的或可编程的。在任一种情况下，控制器40都具有合适的接口用于接收数据以及向所述***的其他元件发送指令。因此，例如，可以接入控制器40以驱动光源22和扫描镜26并接收和分析传感器38发射的信号。例如，在用于绘制目标场景24的深度的激光雷达中，光源22包括脉冲激光器，并且传感器38包括SPAD。相对于光源22发射的脉冲，控制器40测量光子到达传感器38的时间，以便获得穿过目标场景的飞行时间，从而制出目标场景的深度图。
如下文将进一步详细描述的，对非成像光学元件21的正确选择使得能够使用具有较小检测区域的传感器38，该检测区域的尺寸小于如果传感器直接位于焦平面34中所需要的检测区域的尺寸。与较大检测区域传感器相比，使用较小检测区域可以带来较高的带宽和较低的暗噪声。此外，非成像光学元件21将聚焦在焦平面34上的光扩散到传感器38的检测区域上，从而减轻高局部辐照度的相关问题。
图2是根据本发明的实施方案的由固体硅制成的非成像光学元件21的示意性绘画视图，光线35穿过该元件。在该实施方案中，非成像光学元件21包括复合抛物面聚光器(CPC)，并且用作将光从前表面37引导到后表面39的光导管。
CPC是一种光学元件，包括围绕光轴旋转对称的表面，以及垂直于光轴的平坦的前表面和后表面。旋转对称表面的形状是通过绕轴线旋转一段抛物线(抛物线段)来定义的。该轴线被定义为抛物线焦点与抛物线段最靠近焦点的点之间连线的垂直平分线。由该连接线的旋转限定的表面形成CPC的后表面。CPC的前表面由抛物线段上远离后表面的端点的适当选择来确定。空心CPC(即充满空气的CPC)的最大接受角通常是几十度，并且等于抛物线轴线和旋转轴之间的倾斜角。根据斯内尔定律，由于光线在前表面的折射，实心CPC(即由固体材料件制成的CPC)的最大接受角比具有相同几何形状的空心CPC的最大接受角大。因此，实心CPC比空心CPC能够收集更大角度的光。空心CPC通常由玻璃或金属制成，其内部涂有合适的反射材料，例如铝。实心CPC由在感兴趣的波长下可透射的材料制成，并且其旋转对称表面可以在外部涂覆合适的反射材料，例如铝。
如图1所示，非成像光学元件21定位成前表面37位于焦平面34处或其附近，并且后表面39与传感器38接触或在其附近。
在本实施方案中，非成像光学元件21由硅制成，并且在波长为1550纳米的扫描器20中使用。在这个波长下，硅具有高透射率，折射率为3.5。前表面37和后表面39分别涂有合适的抗反射涂层，以减少反射损耗并增加非成像光学元件21的总透射率。由于硅的高折射率，非成像光学元件21的旋转对称表面50不需要反射涂层，这确保了光线35的全内反射。
光线35在点52处撞击前表面37，在该示例中，点52被选择为前表面的中心点。光线35在非成像光学元件21内传播，从旋转对称表面50内部反射，并通过后表面39射出。如果传感器38被放置在焦平面34上，在后表面39，光线35已经扩散到比前表面37上的点52大得多的区域，从而减轻了高局部辐照度的相关问题。撞击前表面37上其他点的光线在非成像光学元件21内类似地传播到后表面39。
因此，不用考虑聚焦光线35在焦平面34中的位置，由非成像光学元件21透射的所有光线都可到达传感器38的检测区域内，从而能够使用尺寸与目标距离和扫描速度无关的传感器，只要条纹长度L小于前表面37的直径。例如，应用上述方程式，0.75°的滞后角γ和13.6毫米的焦距f可以得到356微米的条纹长度L。因此，对于产生不超过0.75°滞后角的任何扫描速度和目标距离，前表面37的直径不必超过356微米。
非成像光学元件21的聚光效率被定义为前表面37和后表面39的面积之比，为12.25。因此，传感器38的大小可以比定位在焦平面34上的传感器小得多。
非成像光学元件接受的光线的数值孔径为0.76。非成像光学元件21的透射率为98％。
图3是根据本发明的另一实施方案的由实心玻璃制成的非成像光学元件60的示意性绘画视图，光线35穿过该元件。如前述实施方案，非成像光学元件60包括复合抛物面聚光器(CPC)，其用作将光从元件的前表面62引导到后表面64的光导管。参考图1，非成像光学元件60定位成前表面62位于焦平面34处或其附近，后表面64与传感器38接触或在其附近。
非成像光学元件60由实心玻璃制成。类似于由硅制成的非成像光学元件21，前表面62和后表面64涂覆有合适的抗反射涂层，以减少反射损耗并增加非成像光学元件60的总透射率。由玻璃制成的非成像光学元件60的透射率为90％。非成像光学元件60的旋转对称表面66可以涂覆有合适的反射材料，例如铝。
光线35在点68处撞击前表面62，同样，点68作为示例被选择为前表面的中心点。光线35在非成像光学元件60内传播，从旋转对称表面66内部反射，并通过后表面64射出。在后表面64，光线35已经扩散到比前表面62上的点68大得多的区域，因此减轻了高局部辐照度的相关问题。撞击前表面62上其他点的光线在非成像光学元件60内类似地传播到后表面64。因此，不用考虑聚焦光线35在焦平面34中的位置，由非成像光学元件60透射的所有光线都可到达传感器38的检测区域内，从而能够使用尺寸与目标距离和扫描速度无关的传感器，只要条纹长度L小于前表面62的直径。
非成像光学元件60的聚光效率为4，数值孔径为0.76，并且非成像光学元件21可以接受0.4°的滞后角γ。
尽管非成像光学元件21和60都包括CPC，但是本发明的其他实施方案可以使用其他类型的非成像光学元件，包括本领域已知的固体材料件，例如各种类型的光导管。
因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种光学设备，所述光学设备包括：
光源，所述光源被配置为发射处于给定波长的光束；
传感器，所述传感器具有检测区域；
光收集光学器件；以及
至少一个扫描镜，所述至少一个扫描镜被配置为以所述光束扫过目标场景，并将从所述场景返回的所述光反射到所述光收集光学器件，
其中所述光收集光学器件包括：
收集光学器件，所述收集光学器件定位成接收从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光，并将所收集的光聚焦到焦平面上；以及
非成像光学元件，所述非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件，具有定位在所述集光透镜的所述焦平面上的前表面以接收并引导所收集的光穿过所述材料，还具有后表面，经由所述后表面所引导的光从位于所述传感器附近的所述材料发射出，使得所收集的光被引导穿过所述材料并扩散到所述传感器的所述检测区域。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述非成像光学元件的所述后表面与所述传感器接触。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述非成像光学元件包括复合抛物面聚光器(CPC)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述材料包括硅。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述材料包括玻璃。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述光束包括光脉冲束，并且其中所述传感器被配置为输出指示单个光子在所述传感器上的入射时间的信号。
7.根据权利要求6所述的光学设备，并且包括控制器，所述控制器被配置为响应于所述信号来获得所述光脉冲往返于所述场景中的点的飞行时间。
8.一种感测方法，所述感测方法包括：
使用至少一个扫描镜使处于给定波长的光束扫过目标场景；
收集从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光，并将所收集的光聚焦到焦平面上；以及
将非成像光学元件的前表面定位在所述焦平面上，所述非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件，由此所收集的光从所述前表面通过所述材料被引导到所述非成像光学元件的所述后表面；以及
使用位于所述非成像光学元件的所述后表面附近的传感器感测所收集的光，所述非成像光学元件将所收集的光扩散到所述传感器的检测区域上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器定位成与所述非成像光学元件的所述后表面接触。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述非成像光学元件包括复合抛物面聚光器(CPC)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述材料包括硅。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述材料包括玻璃。
13.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述光束包括光脉冲束，并且感测所收集的光包括感测所述光脉冲并发射指示单个光子在所述传感器上的入射时间的信号。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括响应于所述信号来获得所述光脉冲往返于所述目标场景中的点的飞行时间。

Claims (14)

1.一种光学设备，所述光学设备包括：
光源，所述光源被配置为发射处于给定波长的光束；
至少一个扫描镜，所述至少一个扫描镜被配置为用所述光束扫过目标场景；
传感器，所述传感器具有检测区域；以及
光收集光学器件，所述光收集光学器件包括：
收集光学器件，所述收集光学器件定位成接收从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光，并将所收集的光聚焦到焦平面上；以及
非成像光学元件，所述非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件，具有定位在所述集光透镜的所述焦平面上的前表面，还具有后表面，经由所述后表面所引导的光从位于所述传感器附近的所述材料发射出，使得所收集的光被引导穿过所述材料并扩散到所述传感器的所述检测区域。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述非成像光学元件的所述后表面与所述传感器接触。
3.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述非成像光学元件包括复合抛物面聚光器(CPC)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述材料包括硅。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述材料包括玻璃。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学设备，其中所述光束包括光脉冲束，并且其中所述传感器被配置为输出指示单个光子在所述传感器上的入射时间的信号。
7.根据权利要求6所述的光学设备，并且包括控制器，所述控制器被配置为响应于所述信号来获得所述光脉冲往返于所述场景中的点的飞行时间。
8.一种感测方法，所述感测方法包括：
使用至少一个扫描镜使处于给定波长的光束扫过目标场景；
收集从所述至少一个扫描镜反射的来自所述场景的所述光，并将所收集的光聚焦到焦平面上；以及
将非成像光学元件的前表面定位在所述焦平面上，所述非成像光学元件包括在所述给定波长下透明的固体材料件；以及
使用位于所述非成像光学元件的后表面附近的传感器感测所收集的光，所述非成像光学元件将所收集的光扩散到所述传感器的检测区域上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器定位成与所述非成像光学元件的所述后表面接触。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述非成像光学元件包括复合抛物面聚光器(CPC)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述材料包括硅。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述材料包括玻璃。
13.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述光束包括光脉冲束，并且感测所收集的光包括感测所述光脉冲并发射指示单个光子在所述传感器上的入射时间的信号。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括响应于所述信号来获得所述光脉冲往返于所述目标场景中的点的飞行时间。
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