CN111190164B - 一种扫描装置及扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扫描装置及扫描方法，装置包括光源、扫描器件和光束接收器；所述光源，用于发射光信号至所述扫描器件；所述扫描器件，包括光学偏转组件，用于接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；所述光束接收器，用于接收所述被测物反射的回波信号；其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形。实现入射光束大角度、高频率的光学扫描；同时还具有小型化、可集成化等应用优势，并且在大规模制造中可以控制其成本。

Description

一种扫描装置及扫描方法
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种扫描装置及扫描方法。
背景技术
传统的扫描镜是一种宏观毫米级的机械结构件，被广泛应用于投影显示、条形码扫描、医疗成像、光通讯等领域，但传统的扫描镜由于体积过大、成本高昂以及抗震性差等原因，限制了其在光学扫描领域的发展，与广大的扫描定位需要有一定的脱节。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种扫描装置及扫描方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种扫描装置，包括光源、扫描器件和光束接收器；所述光源，用于发射光信号至所述扫描器件；所述扫描器件，包括光学偏转组件，用于接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；所述光束接收器，用于接收所述被测物反射的回波信号；其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形。
在本发明的一种实施例中，所述偏转包括一维偏转和二维偏转。还包括镜头，所述镜头包括至少一个光学透镜组件，用于收集来自所述被测物反射的回波信号聚焦至所述光束接收器。还包括控制器，控制电路用于对所述扫描器件施加偏置电压，所述偏置电压控制所述可重构光学超表面层的介电常数发生变化。所述控制器通过芯片加工工艺嵌入到所述扫描器件中；或，所述控制器是与所述扫描器件分离设置。
在本发明的另一种实施例中，所述光学偏转组件还包括透明层，所述透明层包括第一透明层和第二透明层，所述第一透明层置于所述可重构光学超表面层的下侧，用于支撑所述可重构光学超表面层，所述第二透明层置于所述可重构光学超表面层的上侧，用于保护所述可重构光学超表面层。所述第一透明层和/或所述第二透明层是玻璃介质。所述可重构光学超表面层包括纳米天线，所述纳米天线用于重新定向光的方向。
本发明还提供一种扫描方法，包括：S1：控制光源发射光信号至包括光学偏转组件的扫描器件；S2：控制所述扫描器件接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；S3：控制光束接收器接收所述被测物反射的回波信号以进一步获得深度信息；其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形。
在本发明的一种实施例中，对所述扫描器件施加偏置电压，所述偏置电压控制所述可重构光学超表面层的介电常数发生变化。
本发明的有益效果为：提供一种扫描装置及扫描方法，通过可重构光学超表面层与微透镜阵列的结合，使用偏置电压控制可重构光学超表面层的介电常数的变化，以使入射光束经可重构光学超表面层后聚焦至微透镜阵列焦平面的不同位置，在微透镜阵列焦平面的一维或二维方向上不断变化，进而实现入射光束大角度、高频率的光学扫描。同时还具有小型化、可集成化等应用优势，并且在大规模制造中可以控制其成本。
附图说明
图1是本发明实施例中扫描装置的结构示意图。
图2为根据本发明提供的一种光学偏转组件的结构示意图。
图3为根据本发明提供的又一种光学偏转组件的结构示意图。
图4为根据本发明提供的一种可重构光学超表面层的结构示意图。
图5为根据本发明提供的一种扫描方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1为本发明提供的一种扫描装置的结构示意图。扫描装置100包括光源101、扫描器件102以及光学接收器103。光源101，用于发射光信号至扫描器件102；扫描器件102，包括光学偏转组件104，用于接收光源101发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；光束接收器103，用于接收被测物反射的回波信号；其中，光学偏转组件104包括可重构光学超表面层和微透镜阵列(图中未示出)，可重构光学超表面层用于将光源101发射的光信号进行偏转，微透镜阵列用于将可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形。
可重构光学超表面层是一种结合了光学和纳米科技的新兴技术，可通过亚波长的微纳米结构来调控光的偏振、相位、振幅及频率等特性。而具有可重构光学响应的超表面体积小，低消耗、易于设计和实现，可将光学扫描器件小型化，易于满足现有的扫描定位需求。在本发明的一种实施例中，光学超表面可由等离子体超表面(plasmonic metasurface)、介电超表面(dielectric metasurface)、几何超表面(geometric metasurface)、惠更斯超表面(Huygens’metasurface)或其他类型的超表面来实施。在此实施例中，光学超表面可包括以二维方式设置的多个散射单元(scattering elements)。所述多个散射单元可利用金属纳米粒子、介电纳米粒子、形成于金属层之中的小孔以及多层散射单元结构来实施。每一散射单元可以是亚波长范围(subwavelength-scale)的结构以控制光的传播。所述多个散射单元可具有随空间变化的定向(orientation)、几何和/或材料，从而对光信号提供不同的局部光学响应，诸如振幅响应、相位响应、极化响应或上述响应的组合。
在本发明的一种实施例中，可重构光学超表面层可以实现光信号的一维偏转或二维偏转。扫描装置还包括处理器，可以利用被测物反射的回波信号进一步获得深度信息。处理器可以是单独设置的独立部件的，也可以是当扫描装置集成在电子设备中时电子设备的处理器。具体的，可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
在一个实施例中，光源101可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的光源阵列，光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源101可以是以一定的时序振幅被调制后向外发射光束，比如在一个实施例中，光源101在控制下以一定的频率发射脉冲调制光束、方波调制光束、正弦波调制光束等光束。
在一个实施例中，光束接收器103可以是电荷耦合元件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、雪崩二极管(AD)、单光子雪崩二极管(SPAD)等图像传感器，图像传感器的像素可以是单点、线阵或面阵等形式。一般地，与光束接收器103连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。
在一个实施例中，扫描装置100包括镜头105，镜头105包括一个或多个光学透镜组件，用于收集来自被测物反射的回波信号聚焦至光束接收器103。光学透镜组件包括聚焦透镜，聚焦透镜可以是固定聚焦光学子***的一部分，也可以是实现自动聚焦结构的可变聚焦子***的一部分。
在一个实施例中，扫描装置100还包括控制器(图中未示出)，用于控制电路对扫描器件102施加偏置电压。控制器包括逻辑运算模块、电压控制模块，或者还包括处理器、寄存器等元器件，可以实现简单的逻辑运算，比如加、减、乘、除等，并根据运算结果生成相关控制操作指令，实现控制相关控制操作指令，实现控制相关元件工作状态的功能，比如，对扫描器件102施加偏置电压以控制扫描器件102的工作状态。在一些等效实施例中，逻辑运算模块、电压控制模块也可以使用逻辑运算电路、电压控制电路替代。控制器可以通过芯片加工工艺嵌入到扫描器件102中，也可以是独立的模块，与扫描器件102分离设置。
在一个实施例中，光源101发射光信号至扫描器件102，控制电路施加偏置电压至扫描器件102，在偏置电压的作用下，容置于扫描器件102中的光学偏转组件104的结构发生变化。光学偏转组件104接收光源101发射的光信号，光信号经过光学偏转组件104的可重构光学超表面层的二维偏转和微透镜阵列的整形向被测物发射以对被测物进行扫描，经被测物反射的回波信号被镜头105接收，并聚焦至光束接收器103。光束接收器103接收回波信号，并经过进一步处理得到被测物的深度信息。应当理解的是，本发明也可应用于一维光学扫描，光束在经可重构光学超表面层仅朝一个维度方向偏转即可，此处不作限制。
图2是根据本发明提供的一种光学偏转组件的结构示意图。光学偏转组件200还包括透明层，透明层包括第一透明层201和第二透明层202，第一透明层201置于可重构光学超表面层203下侧，用于支撑可重构光学超表面层203，第二透明层202置于可重构光学超表面层203上侧，用于保护可重构光学超表面层203，第一透明层201和第二透明层202均可为玻璃介质，但不限于此，此处不作限制。微透镜阵列包括阵列排布的多个微透镜单元，如微透镜单元204，微透镜阵列中的每一微透镜单元与光源101上的每个发光单元对应，也可以一个微透镜单元与光源101上的多个发光单元对应，用于整形经可重构光学超表面层203偏转的光信号。应当理解的是，微透镜阵列也可以为柱透镜，只需作用相同即可，此处不作限制。
在一个实施例中，一束片平行光信号205经第一透明层201到达可重构光学超表面层203，控制电路对可重构光学超表面层203施加偏置电压，控制可重构光学超表面层203的介电常数，使可重构光学超表面层203的功能满足微透镜阵列的光学特性，即可重构光学超表面层203等效于一层微透镜阵列，光信号205经可重构光学超表面层203汇聚于点206，点206位于微透镜单元204的焦平面207上，此时点206等效于点光源，点光源206向微透镜单元204发射，在微透镜单元204的作用下整形为平行光。同时，改变配置的偏置电压以改变可重构光学超表面层203的介电常数，即此时的可重构光学超表面层203等效于另一层微透镜阵列，作用是将经过的光束聚焦于微透镜单元204的微透镜阵列的焦平面上。
如图3所示，是本发明的又一种光学偏转组件的结构示意图。光信号301经可重构光学超表面层203汇聚于点302，点302位于微透镜单元204的焦平面207上，但与点206位于不同位置，此时点302等效于点光源，点光源302向微透镜单元204发射，在微透镜单元204的作用下整形为平行光。在偏置电压的改变过程中，经过可重构光学超表面层203的光信号聚焦于微透镜单元204焦平面207的不同位置上，从而实现光学二维扫描。
图4为本发明提供的一种可重构光学超表面层的结构示意图。可重构光学超表面层203内包括许多纳米天线，是一种均质材料，如纳米天线401，可重新定向光的方向。通过施加于可重构光学超表面层203两侧的偏置电压可改变纳米天线的结构，进而改变可重构光学超表面层203的介电常数，使其功能满足微透镜阵列的光学特性，等效于一层微透镜阵列。应当理解的是，可重构光学超表面层203可以是一层或多层，纳米天线401的尺寸、取向和形状可根据所需求的微透镜阵列的光学特性进行改变，此处不作限制。
图5是根据本发明提供的一种扫描方法流程图，包括以下步骤：
S1：控制光源发射光信号至包括光学偏转组件的扫描器件；
S2：控制所述扫描器件接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；
S3：控制光束接收器接收所述被测物反射的回波信号以进一步获得深度信息；
其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形。
更具体地，在步骤S2中，扫描器件接收光源发射的光信号，光信号经可重构光学超表面层，可重构光学超表面层在控制电路的控制下，其介电常数发生变化使其光束聚焦至微透镜阵列的焦平面上，在介电常数不断发生变化的过程中，光束被聚焦至微透镜阵列焦平面的不同位置上，即聚焦为点光源，点光源随着可重构光学超表面层的介电常数的变化，其位置在微透镜阵列焦平面的两个维度上不断改变，后投射至微透镜阵列，光束经微透镜阵列整形为平行光束发射至被测物，进而实现了二维光学扫描；在步骤S3中，光束接收器接收经被测物反射的回波信号，处理器提取回波信号进行进一步处理以获得被测物的深度信息。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本发明达到的有益效果为：通过可重构光学超表面层与微透镜阵列的结合，使用偏置电压控制可重构光学超表面层的介电常数的变化，以使入射光束经可重构光学超表面层后聚焦至微透镜阵列焦平面的不同位置，在微透镜阵列焦平面的一维或二维方向上不断变化，进而实现入射光束大角度、高频率的光学扫描。同时还具有小型化、可集成化等应用优势，并且在大规模制造中可以控制其成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种扫描装置，其特征在于，包括光源、扫描器件和光束接收器；
所述光源，用于发射光信号至所述扫描器件；
所述扫描器件，包括光学偏转组件，用于接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；
所述光束接收器，用于接收所述被测物反射的回波信号；
其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和第一微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述第一微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形；
其中，对所述可重构光学超表面层施加偏置电压，控制所述可重构光学超表面层的介电常数，使所述可重构光学超表面层的功能满足微透镜阵列的光学特性而等效于一层微透镜阵列,所述扫描器件接收所述光源发射的光信号，所述光信号经所述可重构光学超表面层聚焦至所述第一微透镜阵列的焦平面上，聚焦为点光源；控制所述可重构光学超表面层的介电常数发生变化而等效于不同的微透镜阵列，使所述点光源形成在所述第一微透镜阵列的焦平面的不同位置上，后投射光束至所述第一微透镜阵列，光束经所述第一微透镜阵列整形为平行光束发射至被测物，进而实现二维光学扫描。
2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述偏转包括一维偏转和二维偏转。
3.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，还包括镜头，所述镜头包括至少一个光学透镜组件，用于收集来自所述被测物反射的回波信号聚焦至所述光束接收器。
4.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，还包括控制器，控制电路用于对所述扫描器件施加所述偏置电压。
5.如权利要求4所述的扫描装置，其特征在于，所述控制器通过芯片加工工艺嵌入到所述扫描器件中；或，所述控制器是与所述扫描器件分离设置。
6.如权利要求1-5任一所述的扫描装置，其特征在于，所述光学偏转组件还包括透明层，所述透明层包括第一透明层和第二透明层，所述第一透明层置于所述可重构光学超表面层的下侧，用于支撑所述可重构光学超表面层，所述第二透明层置于所述可重构光学超表面层的上侧，用于保护所述可重构光学超表面层。
7.如权利要求6所述的扫描装置，其特征在于，所述第一透明层和/或所述第二透明层是玻璃介质。
8.如权利要求1-5任一所述的扫描装置，其特征在于，所述可重构光学超表面层包括纳米天线，所述纳米天线用于重新定向光的方向。
9.一种扫描方法，其特征在于，包括：
S1：控制光源发射光信号至包括光学偏转组件的扫描器件；
S2：控制所述扫描器件接收所述光源发射的光信号并改变传播方向后投射至被测物；
S3：控制光束接收器接收所述被测物反射的回波信号以进一步获得深度信息；
其中，所述光学偏转组件包括可重构光学超表面层和第一微透镜阵列，所述可重构光学超表面层用于将所述光源发射的光信号进行偏转，所述第一微透镜阵列用于将所述可重构光学超表面层进行偏转后的光信号进行整形；
其中，对所述可重构光学超表面层施加偏置电压，控制所述可重构光学超表面层的介电常数，使所述可重构光学超表面层的功能满足微透镜阵列的光学特性而等效于一层微透镜阵列,所述扫描器件接收所述光源发射的光信号，所述光信号经所述可重构光学超表面层聚焦至所述第一微透镜阵列的焦平面上，聚焦为点光源；其中，控制所述可重构光学超表面层的介电常数发生变化而等效于不同的微透镜阵列，使所述点光源形成在所述第一微透镜阵列的焦平面的不同位置上，后投射光束至所述第一微透镜阵列，光束经所述第一微透镜阵列整形为平行光束发射至被测物，进而实现二维光学扫描。
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