CN111521993B - 一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及三维成像技术领域，提供了一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像***，其中，无源纳米天线阵列接收器包括接收透镜、接收端无源纳米天线阵列、聚焦透镜组件以及光接收器，接收透镜用于将入射光聚焦至接收端无源纳米天线阵列，接收端无源纳米天线阵列对接收透镜输出的光束进行角度偏转处理，以使其出射光的光轴与接收端无源纳米天线阵列垂直，聚焦透镜组件用于将接收端无源纳米天线阵列输出的出射光聚焦至光接收器，光接收器将接收的光信号转换为电信号，相比传统的光学衍射器件，通过接收端无源纳米天线阵列实现的光束指向，具有更大的设计弹性，同时能对特定波长起到滤波作用。

Description

一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像***

技术领域

本申请涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像***。

背景技术

三维成像目前在汽车、工业自动化、虚拟现实等领域有着广泛应用前景。目前的三维成像***包括扫描式和面阵接收式。扫描式三维成像是由小发散角的激光或者LED光束完成单点测距，然后通过光束在空间不同位置做扫描，组合成为一幅三维图像。而面阵接收式则普遍采用泛光照射，部分设计采用扫描式发射端，接收端则采用面阵接收芯片(也称为焦平面阵列，focal plane array)。

然而，现有的扫描式***中，***需要保持较远的测量距离，且接收端必须保证较大的接收孔径，并与发射端同步扫描，对于扫描方式要求严苛。而采用面阵接收芯片作为接收端，虽然可以实现广角接收并且保证信噪比，但是面阵接收芯片的设计与开发周期非常长，而且受限于像素点尺寸和信号处理电路电路复杂度，存在分辨率不高的缺陷。三维成像***一直在扫描式发射、面阵接收这些技术内容上不停的做平衡与组合，目前还没有一种能够适用于各种不同三维成像应用场景的技术手段。

发明内容

本申请的目的在于提供一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像***，可以弹性适用于各种不同三维成像应用场景的技术手段。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种无源纳米天线阵列接收器，包括接收透镜、接收端无源纳米天线阵列、聚焦透镜组件以及光接收器；

所述接收透镜用于接收入射光，并将所述入射光聚焦至所述接收端无源纳米天线阵列；

所述无源纳米天线阵列用于对所述接收透镜输出的光束进行角度偏转处理，并将角度偏转处理后生成的出射光发送至所述聚焦透镜组件，其中，所述出射光的光轴与所述无源纳米天线阵列垂直；

所述聚焦透镜组件用于将所述无源纳米天线阵列输出的出射光聚焦至所述光接收器；

所述光接收器用于将接收的光信号转换为电信号。

可选的，所述接收端无源纳米天线阵列包括多个子天线阵列，多个所述子天线阵列的偏转方向互不相同。

可选的，所述子天线阵列包括多个依序排列的纳米天线元件，其中，多个所述纳米天线元件的尺寸以渐变梯度相位分布，以实现对光束的偏转控制。

可选的，所述纳米天线元件的材料为金属材料、半导体材料以及介质材料中的至少一项。

可选的，所述纳米天线元件的形状为圆柱、方块、十字、圆孔、方孔、十字孔、V形、环形线状、曲线状中的至少一种。

可选的，所述子天线阵列的偏转角度与所述纳米天线元件之间的关系为：

θ＝arctan(D/f)；

其中，θ为偏转角，D为所述子天线阵列与所述出射光的光轴之间的距离，f为所述接收透镜的焦距。

本申请实施例还提供了一种三维成像***，所述三维成像***包括：

激光发射单元，用于发射激光信号，其中，所述激光信号经目标物体反射后生成激光反射信号；

如上述任一项所述的无源纳米天线阵列接收器，用于接收激光反射信号，并将所述激光反射信号转换为对应的电信号；

信号处理单元，用于接收所述电信号，并基于所述电信号生成目标距离信息；

中央控制器，用于向所述激光发射单元发送扫描信号，以控制所述激光信号的发射角度，并根据所述扫描信号和所述目标距离信息生成所述目标物体的三维坐标。

可选的，所述激光发射单元包括：

激光驱动单元，用于生成激光驱动信号；

激光器，与所述激光驱动单元连接，用于根据所述激光驱动信号生成激光信号；

发射准直透镜，用于对所述激光信号进行准直处理；

发射端光束扫描器，与所述中央控制器连接，用于接收所述扫描信号，并根据所述扫描信号调整激光信号的发射角度。

可选的，所述发射端光束扫描器为机械式扫描器、微机电***MEMS扫描镜、光学相位阵列固态扫描器、空间光调制器中的任意一项。

本申请的有益效果如下：

1)相比采用面阵接收芯片的三维成像***，本申请实施例中的无源纳米天线阵列接收器采用单点或者多点光接收器，不仅大大降低了三维成像***的制备成本，而且还提高了信号处理的弹性和信噪比；

2)相比收发同步扫描的三维成像***，本申请实施例中的无源纳米天线阵列接收器可实现大孔径的固态化信号接收。

3)本申请实施例中的无源纳米天线阵列接收器采用接收端无源纳米天线阵列设计，加工工艺简单并且不需要加电控制，不仅可以降低三维成像***的功耗，而且可以降低***制造成本。

4)本申请实施例中的三维成像***结构可输出更多的点云而不受限于面阵阵列规模，从而提高空间分辨率。

附图说明

图1为本申请的一个实施例提供的无源纳米天线阵列接收器的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的接收端无源纳米天线阵列的结构示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的接收端无源纳米天线阵列的相位分布示意图；

图4分别为本申请实施例提供的两种子天线阵列的结构示意图；

图5分别为本申请实施例提供的两种子天线阵列的偏转角度示意图；

图6分别为本申请实施例提供的接收端无源纳米天线阵列的偏转角度示意图；

图7为本申请的一个实施例提供的三维成像***的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，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个该特征。

扫描式三维成像***中，采用机械式扫描时，由于发射端与接收端在孔径上的差异，无论是采用同轴光路还是平行轴光路，都不可避免的需要在扫描速度与孔径之间做平衡。而采用微机电***MEMS微镜进行扫描，孔径更是直接影响扫描速度。更大的孔径会带来更大的机械惯性和更低的扫描速度。固态的扫描方式里面，光学相控阵(OPA)是常见的手段，由于采用芯片化的手段进行加工，成本对芯片面积非常敏感，孔径很难做到非常大。为了节省成本，可以在接收端采用广角接收的方式完成***搭建，但是广角接收会引入大量的背景噪声，同时器件损耗会大大增加，大角度接收效率非常低。而面阵接收三维成像***，需要开发面阵接收芯片。面阵接收芯片的设计与开发周期非常长，而且分辨率受限于像素点尺寸和信号处理电路电路复杂度，很难做高分辨率的三维成像，也存在成本高昂的问题。同时，由于发射端采用泛光照射，每个像素点接收到的信号之间串扰严重，稳定性较低。

在一种实施例中，可以通过扫描式的发射端与面阵接收端结合的方式，解决泛光串扰的问题。但是面阵接收芯片的分辨率较低，且引入了扫描式发射端这一新的不确定性，降低了三维成像***的稳定性。因此，三维成像***一直在扫描式发射、面阵接收这些技术内容上不停的做平衡与组合，目前还没有一种能够提供足够的弹性适用于各种不同三维成像应用场景的技术手段。

图1为本申请实施例提供的一种无源纳米天线阵列接收器，包括接收透镜9、接收端无源纳米天线阵列10、聚焦透镜组件11以及光接收器12；所述接收透镜9用于接收入射光(例如图1中的光束6、光束7以及光束8)，并将所述入射光聚焦至所述接收端无源纳米天线阵列10；接收端无源纳米天线阵列10用于对所述接收透镜9输出的光束进行角度偏转处理，并将角度偏转处理后生成的出射光发送至所述聚焦透镜组件11，其中，所述出射光的光轴与接收端无源纳米天线阵列10垂直；所述聚焦透镜组件11用于将接收端无源纳米天线阵列10输出的出射光聚焦至所述光接收器12；所述光接收器12用于将接收的光信号转换为电信号。

在本实施例中，无源纳米天线阵列接收器由接收透镜9、接收端无源纳米天线阵列10、聚焦透镜组件11以及光接收器12组成，从而实现一个类似大规模面阵接收器的效果。具体的，通过接收透镜9将入射光聚焦至接收端无源纳米天线阵列10上，由接收端无源纳米天线阵列10对接收透镜9输出的光束进行角度偏转处理，并将角度偏转处理后生成的出射光发送至聚焦透镜组件11，该出射光的光轴与接收端无源纳米天线阵列10垂直，然后由聚焦透镜组件11将出射光聚焦至光接收器12，相比传统的光学衍射器件，通过接收端无源纳米天线阵列10实现的光束指向，具有更大的设计弹性，同时能对特定波长起到滤波作用。

进一步的，结合发射端的扫描***，基于本实施例中的无源纳米天线阵列接收器的三维成像***可以同时获得了扫描***的高信噪比(窄视场角接收、窄视场角发射)与面阵接收***的大孔径与高速成像能力。

在一个实施例中，所述接收端无源纳米天线阵列10包括多个子天线阵列，多个所述子天线阵列的偏转方向互不相同。

在扫描式三维成像***中，接收端是一个核心需要解决的问题，在接收端采用同样的扫描接收方式，需要平衡孔径与扫描速度，要与发射端同步非常困难。而在接收端采用广角接收，则会引入大量背景噪声，导致测量距离大大缩短。采用面阵接收器，每一个接收像素都针对某个窄视场角进行接收，既保证了信噪比，又可以实现高速成像，然而面阵接收器开发成本高昂，而且受限于像素点尺寸和信号处理的复杂度，面阵接受器的面积受到极大的限制。本实施例中采用无源纳米天线阵列接收器作为面阵接收器，利用纳米天线在光束整形方面的巨大弹性，采用子天线阵列作为像素点，使得感光单元和信号处理单元由大规模阵列化变成单点或者多点。具体的，如图2所示，入射光打在子天线阵列上(如图2中的黑色部分所示)，与面阵接收器类似，每个子天线阵列接收特定视场角的入射光，入射光经过所有的子天线阵列后，其出射光的光轴都被折射成与接收端无源纳米天线阵列10垂直的方向，折射后的光场经过聚焦透镜组件11后重新聚焦在光接收器12上。

在一个实施例中，所述子天线阵列包括多个依序排列的纳米天线元件，其中，多个所述纳米天线元件的尺寸以渐变梯度相位分布，以实现对光束的偏转控制。

在一个实施例中，多个纳米天线元件重复排列，且相邻纳米天线元件之间的间隔距离小于入射光的波长。在具体应用中，需要预先确定入射的光束的波长范围，从而确定无源纳米天线阵列接收器中的纳米天线元件的间隔小于入射光束波长。

进一步的，纳米天线元件的尺寸小于入射光波长的两倍。在本实施例中，每个子天线阵列对应一个特定的偏转角度，从而将聚焦到其上的入射光的光轴进行偏转，例如，将聚焦到其上的入射光进行折射，以使折射后的出射光的光轴与子天线阵列垂直，其中，入射光的光轴为入射光束的中心线，出射光的光轴为出射光束的中心线。

在一个实施例中，接收端无源纳米天线阵列的整体相位分布如图3所示，多个所述子天线阵列的偏转方向互不相同，接收端无源纳米天线阵列10中的每个子天线阵列对应一个偏转角度，例如，参见图4所示，图4a采用1550nm天线间距，相邻天线间的相位差120度，三个天线完成360度的相位覆盖，经过天线阵列透射后的光折射方向如图5(a)所示，在1550nm波长可以获得19.4度的角度改变。而图4b同样采用1550nm天线间距，相邻天线相位差90度，四个天线完成360度的相位覆盖，经过天线透射后的光折射方向如图5(b)所示，在1550nm波段可以获得14.5度的角度偏转，其中，图5中的横轴为偏转角度。因此，光学纳米天线的设计提供了巨大的设计弹性，每个像素点(即子天线阵列)可以获得不同的偏转角，而且整个阵列不需要外来驱动，是一个无源器件，极大简化了***设计。

在一个实施例中，所述纳米天线元件的材料为金属材料、半导体材料以及介质材料中的至少一项。

在本实施例中，金属材料可以为金、银、铜、铝等，介质材料可以为光学介质材料，半导体材料或者介质材料可以为氧化钛(TiOx)、二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiNx)、砷化镓(GaAs)以及砷化铝镓(AlGaAs)等。

在一个实施例中，所述纳米天线元件的材料为硅、砷化镓、铝镓砷、氮化硅以及磷化铟中的任意一种。

在一个实施例中，本实施例中的无源纳米天线阵列接收器响应的中心波长可以为通信波段的1550nm，其中，纳米天线元件的组成材料可以为单晶硅、多晶硅或者非晶硅中的任意一种。

在一个实施例中，所述纳米天线元件的形状为圆柱、方块、十字、圆孔、方孔、十字孔、V形、环形线状、曲线状中的至少一种。

在本实施例中，通过采用不同的掩膜对天线阵列层进行刻蚀，从而形成不同形状的纳米天线元件，该纳米天线元件的形状不局限于圆柱、方块、十字、圆孔、方孔、十字孔、V形、环形线状、曲线状，具体可以根据用户需要进行设置。

在一个实施例中，所述子天线阵列的偏转角度与子天线阵列之间的关系为：

θ＝arctan(D/f)；

其中，θ为偏转角，D为所述子天线阵列与所述出射光的光轴之间的距离，f为所述接收透镜9的焦距。

在本实施例中，无源纳米天线阵列接收器中的每个子天线阵列作为一个像素点，以光轴为中心呈现中心对称分布。参见图6所示，假设无源纳米天线阵列接收器有(-N，N)的共2N个子天线阵列组成，则θ＝arctan(D/f)，D＝d*n，n为子天线阵列的序号，d为每个子阵列天线的尺寸，无源纳米天线阵列接收器通过将入射光的光轴偏转θ，从而使得其出射光的光轴与无源纳米天线阵列接收器垂直。

在一个实施例中，无源纳米天线阵列接收器与接收透镜9之间的距离与接收透镜9的焦距相等。

在一个实施例中，所述光接收器12为单点光接收器或者多点光接收器。

本申请实施例还提供了一种三维成像***，参见图7所示，所述三维成像***包括：

激光发射单元，用于发射激光信号，其中，所述激光信号经目标物体反射后生成激光反射信号；

如上述任一项所述的无源纳米天线阵列接收器，用于接收激光反射信号，并将所述激光反射信号转换为对应的电信号；

信号处理单元13，用于接收所述电信号，并基于所述电信号生成目标距离信息；

中央控制器14，用于向所述激光发射单元发送扫描信号，以控制所述激光信号的发射角度，并根据所述扫描信号和所述目标距离信息生成所述目标物体的三维坐标。

在本实施例中，中央控制器通过向激光发射单元发送扫描信号控制激光信号的发射角度，由信号处理单元生成的目标距离信号、激光信号的发射角度结合三维成像***自身的坐标信息可以生成目标物体的三维坐标。

进一步的，激光发射单元采用扫描方式发射激光信号，通过扫描式的发射端与与上述实施例提供的无源纳米天线阵列接收器结合的方式，不仅可以解决泛光串扰的问题，还可以同时获得了扫描***的高信噪比。

在一个实施例中，参见图7所示，所述激光发射单元包括：

激光驱动单元1，用于生成激光驱动信号；

激光器2，与所述激光驱动单元连接，用于根据所述激光驱动信号生成激光信号；

发射准直透镜3，用于对所述激光信号进行准直处理；

发射端光束扫描器4，与所述中央控制器连接，用于接收所述扫描信号，并根据所述扫描信号调整激光信号的发射角度。

在一个实施例中，所述发射端光束扫描器4为机械式扫描器、微机电***MEMS扫描镜、光学相位阵列固态扫描器、空间光调制器中的任意一项。

基于无源纳米天线阵列接收器的三维成像***如图7所示。激光器2经过激光驱动单元1提供的激光驱动信号的调制后，将激光信号(例如脉冲光信号)经过发射准直透镜3准直后打在发射端光束扫描器4上发射(如激光信号5)。激光信号5打在目标物体后反射，反射的信号(例如入射光束6、入射光束7、入射光束8)光经过大孔径接收透镜9后聚焦在接收端无源纳米天线阵列10上，接收端无源纳米天线阵列10由子天线阵列(像素点)组成，每个子天线阵列对应一个偏转角度，将入射在该像素点上的入射光折射为平行于光轴的光(即出射光的光轴与接收端无源纳米天线阵列10垂直)，经过聚焦透镜组件11中的两个透镜后，所有入射角度的光都被聚焦在单个或者多个光接收器12，然后由信号处理单元13进行信号处理恢复出目标距离信息。整个三维成像***的方位角测量由扫描式的光点完成，而接收端无区别的将所有角度返回的光均有一个或者若干个接收器接收，实现广角接收和面阵接收的等同效果。

本申请提供的一种无源纳米天线阵列接收器及三维成像***中，无源纳米天线阵列接收器包括接收透镜、接收端无源纳米天线阵列、聚焦透镜组件以及光接收器；接收透镜用于接收入射光，并将入射光聚焦至接收端无源纳米天线阵列；无源纳米天线阵列用于对接收透镜输出的光束进行角度偏转处理，并将角度偏转处理后生成的出射光发送至聚焦透镜组件，其中，出射光的光轴与无源纳米天线阵列垂直；聚焦透镜组件用于将无源纳米天线阵列输出的出射光聚焦至光接收器；光接收器用于将接收的光信号转换为电信号，相比传统的光学衍射器件，通过接收端无源纳米天线阵列实现的光束指向，具有更大的设计弹性，同时能对特定波长起到滤波作用。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无源纳米天线阵列接收器，其特征在于，包括接收透镜、接收端无源纳米天线阵列、聚焦透镜组件以及光接收器；

所述接收透镜用于接收入射光，并将所述入射光聚焦至所述接收端无源纳米天线阵列；

所述无源纳米天线阵列用于对所述接收透镜输出的光束进行角度偏转处理，并将角度偏转处理后生成的出射光发送至所述聚焦透镜组件，其中，所述出射光的光轴与所述无源纳米天线阵列垂直；所述接收端无源纳米天线阵列包括多个子天线阵列，多个所述子天线阵列的偏转方向互不相同；所述子天线阵列包括多个依序排列的纳米天线元件，其中，多个所述纳米天线元件的尺寸以渐变梯度相位分布，以实现对光束的偏转控制；相邻所述纳米天线元件之间的间隔距离小于所述入射光的波长；

所述聚焦透镜组件用于将所述无源纳米天线阵列输出的出射光聚焦至所述光接收器；

所述光接收器用于将接收的光信号转换为电信号。

2.如权利要求1所述的无源纳米天线阵列接收器，其特征在于，所述纳米天线元件的材料为金属材料、半导体材料以及介质材料中的至少一项。

3.如权利要求1所述的无源纳米天线阵列接收器，其特征在于，所述纳米天线元件的形状为圆柱、方块、十字、圆孔、方孔、十字孔、V形、环形线状中的至少一种。

4.如权利要求1所述的无源纳米天线阵列接收器，其特征在于，所述子天线阵列的偏转角度与所述纳米天线元件之间的关系为：

θ=arctan（D/f）；

其中，θ为偏转角，D为所述子天线阵列与所述出射光的光轴之间的距离，f为所述接收透镜的焦距。

5.如权利要求1所述的无源纳米天线阵列接收器，其特征在于，所述光接收器为单点光接收器或者多点光接收器。

6.一种三维成像***，其特征在于，所述三维成像***包括：

激光发射单元，用于发射激光信号，其中，所述激光信号经目标物体反射后生成激光反射信号；

如权利要求1-5任一项所述的无源纳米天线阵列接收器，用于接收激光反射信号，并将所述激光反射信号转换为对应的电信号；

信号处理单元，用于接收所述电信号，并基于所述电信号生成目标距离信息；

中央控制器，用于向所述激光发射单元发送扫描信号，以控制所述激光信号的发射角度，并根据所述扫描信号和所述目标距离信息生成所述目标物体的三维坐标。

7.如权利要求6所述的三维成像***，其特征在于，所述激光发射单元包括：

激光驱动单元，用于生成激光驱动信号；

激光器，与所述激光驱动单元连接，用于根据所述激光驱动信号生成激光信号；

发射准直透镜，用于对所述激光信号进行准直处理；

发射端光束扫描器，与所述中央控制器连接，用于接收所述扫描信号，并根据所述扫描信号调整激光信号的发射角度。

8.如权利要求7所述的三维成像***，其特征在于，所述发射端光束扫描器为机械式扫描器、微机电***MEMS扫描镜、光学相位阵列固态扫描器、空间光调制器中的任意一项。