CN116583769A - 用于lidar传感器的光耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种光探测和测距(LIDAR)设备包括波导、包层和散射阵列。波导被配置为对红外光场进行路由。包层设置在波导的周围。散射阵列形成在包层中。散射阵列被配置为扰动由波导路由的红外光场，以将红外光场引导成朝向包层的表面传播的红外光束。

Description

用于LIDAR传感器的光耦合器
对于相关申请的交叉引用
本申请要求在2021年11月19日提交的美国非临时申请17/531,029的优先权，该美国非临时申请要求在2020年11月23日提交的美国临时申请第63/117,316号的优先权。申请17/531,029和63/117,316通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及光学器件，并且特别是涉及光探测和测距(LIDAR)。
背景技术
调频连续波(FMCW)LIDAR通过将调频的、准直光束指向目标，而直接测量物体的范围(range)和速度。目标的范围和速度信息都可以从FMCW LIDAR信号中导出。提高LIDAR信号精度的设计和技术是期望的。
汽车工业目前正在开发用于在某些情况下控制车辆的自主功能。根据SAE国际标准J3016，有6个级别的自主性，范围从0级(无自主性)到5级(车辆可在所有条件下无需操作员输入即可运行)。具有自主功能的车辆利用传感器来感测车辆导航经过的环境。从传感器获取和处理数据允许车辆导航通过其环境。自主车辆可能包括一个或多个用于感测其环境的LIDAR设备。传统的LIDAR***需要机械移动部件使用于成像传感环境的激光束转向。对于诸如汽车和机器人的许多应用来说，它们被认为体积庞大、成本高昂且不可靠。
发明内容
本公开的实施例包括光探测和测距(LIDAR)设备，该设备包括波导、包层和散射层。波导被配置为对红外光场进行路由。包层设置在波导的周围。散射阵列形成在包层中。散射阵列被配置为扰动由波导路由的红外光场，以将红外光场引导成朝向包层的表面传播的红外光束。
在一种实施例中，散射阵列与波导间隔开特定间隔距离，并且波导设置在散射阵列和包层的表面之间。
在一种实施例中，LIDAR设备包括与包层交界的衬底层。散射阵列设置在波导和衬底层与包层的界面之间。
在一种实施例中，LIDAR设备还包括形成在包层中的反射层。波导被设置在反射层与散射阵列之间。反射层被配置为引导红外光束通过衬底层出射。
在一种实施例中，散射阵列和界面之间的厚度以及波导和散射阵列之间的间隔距离被配置为通过相消干涉(destructively interfering)红外光场的下散射部分，来增加红外光束的强度。
在一种实施例中，散射阵列还被配置为将接收到的红外光束耦合到波导中，并且接收到的红外光束是由LIDAR设备的外部环境中的目标对红外光束的反射。
在一种实施例中，包层对红外光场是透明的。
在一种实施例中，波导具有比包层的第二折射率高的第一折射率。
在一种实施例中，波导是锥形的，并且随着波导接近散射阵列，所述波导向外张开。散射阵列可以逐渐向外张开。
在一种实施例中，红外光束的偏振取向与散射阵列中的散射体的长方向相匹配。
在一种实施例中，LIDAR设备还包括第二波导。波导的第一锥形部延伸到第二波导的第二锥形部中。散射阵列是二维耦合器，所述二维耦合器被配置为在第一偏振取向上散射红外光场，并且被配置为在第二偏振取向上散射第二红外光场。第二红外光场由第二波导进行路由。
在一种实施例中，在波导中路由的红外光场正交于在第二波导中传播的第二红外光场。
在一种实施例中，该波导与第二波导形成在同一层中。
在一种实施例中，波导是氮化硅。
本公开的实施例包括一种用于自主车辆的自主车辆控制***，该自主车辆控制***包括LIDAR设备和一个或多个处理器。LIDAR设备包括波导、包层和散射层。波导被配置为对红外光场进行路由。包层设置在波导的周围。散射阵列形成在包层中。散射阵列被配置为扰动由波导路由的红外光场，以将红外光场引导成红外发射光束。所述一个或多个处理器被配置成响应于作为红外发射光束的反射的红外返回光束而控制自主车辆。
在一种实施例中，红外发射光束的偏振取向与散射阵列中的散射体的长方向匹配。
在一种实施例中，LIDAR设备还包括第二波导。散射阵列是二维耦合器，该二维耦合器被配置为在第一偏振取向上散射红外光场，并被配置为在第二偏振取向上散射第二红外光场。第二红外光场由第二波导进行路由。
在一种实施例中，散射阵列与波导间隔开特定间隔距离。
本公开的实施例包括一种自主车辆，该自主车辆包括LIDAR传感器和一个或多个处理器。LIDAR设备包括波导、包层和散射层。波导被配置为对红外光场进行路由。包层设置在波导的周围。散射阵列形成在包层中。散射阵列被配置为扰动由波导路由的红外光场，以将红外光场引导成红外发射光束。所述一个或多个处理器被配置成响应于作为红外发射光束的反射的红外返回光束而控制自主车辆。
在一种实施例中，红外发射光束的偏振取向与散射阵列中的散射体的长方向匹配。
附图说明
参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中，除非另有说明，否则贯穿各种视图，相似的附图标号指代相似的部分。
图1A图示了根据本公开的实施例的在向上方向上发射光束的光耦合器的横截面。
图1B图示了根据本公开的实施例的接收光束通过表面传播并且被耦合到在波导中传播的光学模式中。
图2图示了根据本公开的实施例的光耦合器的横截面，该光耦合器包括反射层，该反射层被配置为引导光通过衬底层射出光耦合器。
图3A至图3C图示了根据本公开的实施例的具有可选的顶部金属反射器的单偏振(1D)光耦合器的三维透视图的层。
图4A至图4B图示了根据本公开的实施例的没有可选反射层的双偏振(2D)光耦合器的三维透视图的层。
图5A图示了根据本公开的实施例的包括示例传感器阵列的自主车辆。
图5B图示了根据本公开的实施例的包括示例传感器阵列的自主车辆的顶视图。
图5C图示了根据本公开的实施例的包括传感器、传动***和控制***的示例车辆控制***。
具体实施方式
在此描述了LIDAR光耦合器的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或使用其他的方法、组件、材料等来实践本文描述的技术。在其他情况下，公知的结构、材料或操作未被详细示出或描述，以避免模糊某些方面。
在整个本说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定都指代相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。
贯穿本说明书，使用了几个技术术语。这些术语在它们所来自的领域中具有它们的普通含义，除非在本文中有具体定义或者它们的使用的上下文将清楚地暗示不同。出于本公开的目的，术语“自主车辆”包括具有SAE国际标准J3016的任何自主级别的自主功能的车辆。
固态LIDAR设备是对传统LIDAR的机械移动部件的改进，其减少或消除了为转向光束以进行LIDAR操作所需的机械移动部件。固态LIDAR***中的一个重要组件是发射和/或接收光的光耦合器。光学效率是光耦合器的一个重要方面。
调频连续波(FMCW)LIDAR通过将调频的、准直的光束指向物体，直接测量物体/目标的范围和速度。从物体/目标反射的光与光束的分接版本(tapped version)相结合。一旦对于需要第二次测量的多普勒频移进行了校正，所产生的拍音的频率与物体离LIDAR***的距离成正比。可以同时也可以不同时进行的这两个测量提供范围和速度信息这两者。
固态FMCW LIDAR***的设计中的一个重要考虑是功率处置能力。增加的功率处置允许改进的信噪比(SNR)和更长的距离范围性能。高性能FMCW LIDAR***期望开发一种集成光学平台，该平台在保持高的功率处置能力的同时也是对光的有效操纵。
本公开的实施例包括LIDAR设备，该设备包括波导、包层和散射阵列，以将红外光场引导成红外光束，从包层的或支撑波导和包层的衬底(例如硅衬底)的表现出射。LIDAR设备可以包括反射层，该反射层被配置为引导红外光束通过衬底层出射。散射阵列还可以被配置为将接收到的红外光束耦合到波导中，其中，接收的红外光束是LIDAR设备的外部环境中的目标对红外光束的反射。散射阵列可以是准周期性的。在一些实施例中，第二波导延伸到波导中，并且散射阵列是二维耦合器，该二维耦合器被配置为在第一偏振取向上散射红外光场，并且被配置为在正交于第一偏振取向的第二偏振取向上散射第二红外光场(由第二波导进行路由)。结合图1A至图5C更详细地描述这些和其他实施例。
图1A图示了根据本公开的实施例的在向上方向上发射光束107的光耦合器150的横截面。光耦合器150包括波导102、包层120、散射阵列104和衬底层130。在一种实施例中，波导102可以是氮化硅平板。在一种实施例中，包层120是氧化物。在一种实施例中，包层120是二氧化硅。包层120可以对红外光透明。波导102可以具有比包层120的第二折射率高的第一折射率。衬底层130可以是硅晶片衬底。在图1A中，衬底层130被示为在界面109处与包层120交界。当包层120是二氧化硅并且衬底层130是硅时，界面109可以被认为是硅-玻璃界面。
在图1A中，散射阵列104与波导102间隔开包层120的间隔距离105。散射阵列104可以是准周期性的。散射阵列104可以包括可以由硅形成的硅散射体。为了说明的目的，图1A包括十二个散射体，但是可以使用更多或更少的散射体。在图1A所示的实施例中，散射阵列104设置在波导102和界面109之间。
在操作中，光学模式101传播通过波导102。光学模式101可以是具有窄线宽的红外光场。光学模式101可以由耦合到波导102中的激光生成。光学模式101的尾部103延伸到波导102的外部。波导102被配置为对光学模式101进行路由。随着光学模式101传播，尾部103与硅散射体104的散射阵列相互作用，这导致光散射出波导102(例如氮化硅平板)。虽然图1A将散射体104图示为单一的厚度、宽度和间隔，但这些散射体可以具有变化的厚度、宽度和间隔，以便将生成的光束107成形为特定形状。取决于间隔距离105(其可以是氧化物间隔物厚度)连同散射体104的占空因数，可以控制该散射的强度。在一种实施例中，散射阵列104被配置为扰动红外光场101，该红外光场101由氮化硅波导102进行路由，以将红外光场101引导成朝向包层120的表面121传播的红外光束107。
光在向下(例如下散射光106)和向上(例如光束107)两个方向上被散射。向下散射的光传播通过间隔距离105、散射体104和氧化物厚度108，最终作为光110从硅-玻璃界面109部分反射。102、104、105和108的厚度可以被配置为对通过界面109传播的光波引起相消干涉，从而增加作为光束107在向上方向传播的光功率。净效应是向上传播的光束107，其包含光学模式101中包含的大部分光功率。在一种实施例中，包层120中的间隔距离105和厚度108被配置为通过对光场101的下散射部分106的相消干涉，来增加光束107的强度。由于光束107通过包层120的表面121出射，所以光学结构150可以被认为是表面发射而非边缘发射的竖直光耦合器。表面发射光耦合器可能有利于LIDAR***和设备。
除了作为发射光束107的发射光耦合器之外，光学结构150还可以用作接收入射光并将光耦合到波导102中的接收光耦合器。图1B图示了接收光束157传播通过表面121，并且被耦合到在波导102中以与光学模式101相反的方向传播的光学模式151内。因此，散射阵列104(以及间隔距离105和厚度108)也可以被配置成将接收光束157耦合到波导102中。接收光束157可以是接收红外光束，其是当光学结构150被包括在LIDAR设备中时光学结构150的外部环境中的目标反射的红外光束107的反射。因此，光学模式151可以在LIDAR场境中被转换成接收到的电信号。
图2图示了根据本公开的实施例的光耦合器250的横截面，该光耦合器250包括反射层212，反射层212被配置为引导光通过衬底层130射出光耦合器250。在该实施例中，衬底层130对红外光是透明的。反射层212可以是金属反射层，例如铜。反射层212也可以是被配置为反射光束207的线宽的衍射结构。反射层212形成在包层120中。波导202设置在反射层212和散射阵列204之间。散射阵列204可以是准周期性的。在操作中，光学模式201传播通过波导202。光学模式201可以包括与光学模式101相关联的特性。在一些实施例中，波导202可以具有与波导102相关联的特征。光学模式201的尾部203延伸到波导材料的外部。尾部203与散射体204的散射阵列相互作用，这导致光作为光束207从波导202散射出去。根据包层120中的间隔距离205以及散射体204的占空因数，可以控制和设计该散射的强度。
在图2中，光在向下(206)和向上(207)方向上散射。向下散射的光传播通过间隔距离205、散射体204和厚度208，最终作为光210从界面109部分反射离开。作为光束207在向上方向上散射的光穿过间隔维度211并遇到反射层212，反射层212将大部分光作为光束213向下反射。通过控制202、204、205、208和211的厚度，可以使透过界面209的光波(包括光束213)相长干涉，形成向下传播的光束214，其包含输入模式201中的大部分功率。由于光束214通过衬底层130的底侧射出，因此光学结构250可以被认为是表面发射的而不是边缘发射的竖直光耦合器。
图3A至图3C图示了根据本公开的实施例的具有可选的顶部金属反射器312的单偏振(1D)光耦合器350的三维透视图的层。光耦合器350可以是混合硅-氮化硅光耦合器。图3A图示了布置在衬底层130上方的散射阵列304。散射阵列304可以是准周期性的。图3A至图3C没有具体图示包层120，以免遮挡光耦合器350的其他部件。然而，例如，包层120的厚度(例如厚度108)将支持散射阵列304。包层120还可以支撑波导301和反射层312。
图3B图示了连接到锥形氮化硅平板302的波导301，锥形氮化硅平板302将输入光学模式101扩展到期望的尺寸。在所示实施例中，波导301是锥形的，并且随着波导接近散射阵列304向外张开。波导301和锥形氮化物平板302可以是连续的氮化硅材料。波导301和平板302设置在散射阵列304上方，散射阵列304控制光从氮化硅平板302向外的散射。发射的光(例如光束214)的偏振态，以及作为扩展，被有效接收的光的偏振态与散射阵列304的散射体的长方向391相匹配。在一种实施例中，红外光束(由散射阵列304生成)的偏振取向与散射阵列304的散射体的长方向相匹配。
图3C图示了设置在平板302上方的可选反射层312。反射层312延伸穿过与散射阵列304的散射体占据的区域相当或比其更大的区域。衬底层130可以充当附加的反射界面，其可以用于控制光耦合到波导301中和从波导301耦合出。除了由302描绘的锥形平板之外，可以在光耦合器350中使用其他波导设计。在一种实施例中，可以使用直的非锥形平板以达到相同效果。另外，可以调整输入波导301和平板302之间的过渡。
图4A至图4B图示了根据本公开的实施例的没有可选反射层的双偏振(2D)光耦合器450的三维透视图的层。光耦合器450可以是混合硅-氮化硅光耦合器。图4A图示了布置在衬底层130上方的散射阵列404。散射阵列404可以是准周期性的。图4A至图4B没有具体图示包层120，以免遮挡光耦合器450的其他部件。然而，例如，包层120的厚度(例如，厚度108)将支持散射阵列404。包层120也可以支撑波导401和402。
图4B图示了连接到平板403的双输入波导401和402，平板403将来自输入波导401或402的光学模式扩展到期望的尺寸。波导401接收光学模式481，并且波导402接收光学模式482。在一些实施例中，平板403可以比作旋转90度并合并的两个1D耦合器平板302(图3B)。在一种实施例中，波导401的第一锥形部延伸到波导402的第二锥形部中。根据光是从波导401还是402进入，光被散射阵列404以两个正交偏振态之一散射。在一些实施例中，光学模式481将在第一偏振取向上被散射阵列404散射，而光学模式482将在与第一偏振取向正交的第二偏振取向上被散射阵列404散射。
在图4B的图示中，由波导401路由的光场481正交于在波导402中传播的光场482传播。光耦合器450上的入射光的偏振态(例如，由光耦合器450发射的发射光束的反射)可能影响光被路由到哪个波导。在一些实施例中，散射阵列404被配置为将第一偏振取向的入射光引导至波导401，并且被配置为将第二偏振取向的入射光引导至波导402。因此，在双偏振配置中，本公开的光耦合器可以在两个正交偏振态中发射和接收光。
光学结构150、250、350和450可以被认为是集成的竖直光耦合器，因为它们可以发射和/或接收通过包层或衬底层的顶面或底面的光。换句话说，光学结构150、250、350和450可以是表面发射的，而不是边缘发射的。这些竖直传播的光束可以投射到环境中，以执行LiDAR测量。
图5A图示了根据本公开的方面的示例自主车辆500，其可以在LIDAR设备中包括图1A至图4B的光学结构。所示的自主车辆500包括传感器阵列，其被配置成捕获自主车辆的外部环境的一个或多个物体并生成与捕获的一个或多个物体相关的传感器数据，以用于控制自主车辆500的操作。图5A示出了传感器533A、533B、533C、533D和533E。图5B图示了自主车辆500的俯视图，除了传感器533A、533B、533C、533D和533E之外，还包括传感器533F、533G、533H和533I。传感器533A、533B、533C、533D、533E、533F、533G、533H和/或533I中的任何一个都可以包括具有图1A至图4B的设计的LIDAR设备。图5C图示了用于自主车辆500的示例***599的框图。例如，自主车辆500可以包括动力***502，动力***502包括由能量源506提供动力并且能够向传动***508提供动力的原动机504。自主车辆500还可以包括控制***510，控制***510包括方向控制512、动力***控制514和制动控制516。自主车辆500可以实现为任何数量的不同车辆，包括能够运送人员和/或货物并且能够在各种不同环境中行驶的车辆。应当理解，上述部件502至516可以根据其中使用这些部件的车辆的类型而广泛变化。
例如，下文讨论的实施例将集中于轮式陆地车辆，例如汽车、厢式货车、卡车或公共汽车。在这样的实施例中，原动机504可以包括一个或多个电动机和/或内燃机(以及其他)。能量源可以包括例如燃料***(例如，提供汽油、柴油、氢气)、电池***、太阳能电池板或其他可再生能源和/或燃料电池***。传动***508可以包括：车轮和/或轮胎以及变速器和/或适合将原动机504的输出转换为车辆运动的任何其他机械驱动部件；以及一个或多个制动器和方向或转向部件，所述一个或多个制动器配置成可控地停止或减慢自主车辆500，所述方向或转向部件适用于控制自主车辆500的轨迹(例如是齿条和小齿轮转向联动设备，使得自主车辆500的一个或多个车轮能够围绕大致竖直的轴线枢转，以改变车轮的旋转平面相对于车辆的纵轴的角度)。在一些实施例中，可以使用动力***和能量源的组合(例如，在电动/燃气混合动力车辆的情况下)。在一些实施例中，多个电动机(例如，专用于单独的车轮或车轴)可以用作原动机。
方向控制512可以包括一个或多个致动器和/或传感器，用于控制和接收来自方向或转向部件的反馈，以使自主车辆500能够遵循期望的轨迹。动力***控制514可以被配置成控制动力***502的输出，例如以控制原动机504的输出功率，控制传动***508中的变速器的挡位，从而控制自主车辆500的速度和/或方向。制动控制516可以被配置为控制使自主车辆500减速或停止的一个或多个制动器，例如联接到车辆车轮的盘式或鼓式制动器。
其他车辆类型(包括但不限于越野车辆、全地形或履带式车辆或建筑设备)将必然使用不同的动力***、传动***、能量源、方向控制、动力***控制和制动控制，正如将受益于本公开的普通技术人员将理解。此外，在一些实施例中，可以组合一些组件，例如，其中，主要通过改变一个或多个原动机的输出来处置车辆的方向控制。因此，本文公开的实施例不限于本文描述的技术在自主轮式陆地车辆中的特定应用。
在所示实施例中，在车辆控制***520中实施对自主车辆500的自主控制，车辆控制***520可以包括处理逻辑522中的一个或多个处理器和一个或多个存储器524，其中，处理逻辑522被配置为执行存储在存储器524中的程序代码(例如，指令526)。处理逻辑522可以包括例如图形处理单元(GPU)和/或中央处理单元(CPU)。车辆控制***520可以被配置成响应于红外返回光束而控制自主车辆500的动力***502，红外返回光束是由光学结构150、250、350和/或450发射到自主车辆500的外部环境中并反射回光学结构150、250、350和/或450的红外发射光束的反射。
传感器533A至533I可以包括适合于从自主车辆的周围环境收集数据以用于控制自主车辆的操作的各种传感器。例如，传感器533A至533I可以包括雷达单元534、LIDAR单元536、3D定位传感器538，例如卫星导航***，诸如GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo或指南针。图1A至图4B的光耦合器设计可以包括在LIDAR单元536中。例如，LIDAR单元536可以包括分布在自主车辆500周围的多个LIDAR传感器。在一些实施例中，3D定位传感器538可以使用卫星信号确定车辆在地球上的位置。传感器533A至533I可以可选地包括一个或多个超声波传感器、一个或多个相机540和/或惯性测量单元(IMU)542。在一些实施例中，相机540可以是单像或立体相机并且可以记录静态和/或视频图像。相机540可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，该传感器被配置为捕获自主车辆500的外部环境中的一个或多个物体的图像。IMU 542可以包括能够检测自主车辆500在三个方向上的线性和旋转运动的多个陀螺仪和加速度计。诸如车轮编码器的一个或多个编码器(未示出)可用于监测自主车辆500的一个或多个车轮的旋转。
传感器533A至533I的输出可以被提供给控制子***550，控制子***550包括定位子***552、轨迹子***556、感知子***554和控制***接口558。定位子***552被配置为确定自主车辆500在其周围环境内并且通常在特定地理区域内的位置和方位(有时也称为“姿势”)。作为生成标记的自主车辆数据的一部分，可以将自主车辆的位置与同一环境中的其他车辆的位置进行比较。感知子***554可以被配置为检测、跟踪、分类和/或确定自主车辆500周围环境中的物体。轨迹子***556被配置为在给定期望目的地以及环境中的静态和移动物体的情况下，生成自主车辆500在特定时间范围内的轨迹。根据若干实施例的机器学习模型可用于生成车辆轨迹。控制***接口558被配置为与控制***510通信，以实现自主车辆500的轨迹。在一些实施例中，机器学习模型可用于控制自主车辆以实现计划轨迹。
应当理解，车辆控制***520的图5C中所示的组件的集合在本质上仅仅是示例性的。在一些实施例中可以省略单独的传感器。在一些实施例中，图5C中所示的不同类型的传感器可以用于冗余和/或用于覆盖自主车辆周围环境中的不同区域。在一些实施例中，可以使用不同类型和/或组合的控制子***。此外，虽然子***552至558被示为与处理逻辑522和存储器524分开，但应当理解，在一些实施例中，子***552至558的一些或所有功能可以用程序代码来实现，诸如驻留在存储器524中并由处理逻辑522执行的指令526，并且这些子***552至558在某些情况下可以使用相同的处理器和/或存储器来实现。在一些实施例中，子***可以至少部分地使用各种专用电路逻辑、各种处理器、各种现场可编程门阵列(“FPGA”)、各种专用集成电路(“ASIC”)、各种实时控制器等实现，如上所述，多个子***可以利用电路、处理器、传感器和/或其他组件。此外，车辆控制***520中的各种组件可以以各种方式联网。
在一些实施例中，不同的架构(包括软件、硬件、电路逻辑、传感器和网络的各种组合)可以用于实施图5C中所示的各种组件。例如，每个处理器可以实现为微处理器，并且每个存储器可以代表：随机存取存储器(“RAM”)设备，包括主存储器；以及，任何补充级别的存储器，例如高速缓存存储器、非易失性或备份存储器(例如，可编程存储器或闪存)或只读存储器。此外，每个存储器可以被认为包括：物理上位于自主车辆500中别处的存储器，例如处理器中的任何高速缓存；以及用作虚拟存储器的任何存储容量，例如存储在大容量存储设备或另一个计算机控制器上。图5C中所示的处理逻辑522或完全独立的处理逻辑可用于在自主车辆500中实现除自主控制目的之外的附加功能，例如控制娱乐***，操作门、灯或便利功能。
此外，对于附加的存储，自主车辆500还可以包括一个或多个大容量存储设备，例如可移动磁盘驱动器、硬盘驱动器、直接存取存储设备(“DASD”)、光驱(例如，CD驱动器、DVD驱动器)、固态存储驱动器(“SSD”)、网络附加存储、存储区域网络和/或磁带驱动器等。此外，自主车辆500可以包括用户接口564以使自主车辆500能够接收来自乘客的多个输入并为乘客生成输出，例如，一个或多个显示器、触摸屏、语音和/或手势接口、按钮和其他触觉控件。在一些实施例中，可以通过另一台计算机或电子设备(例如通过移动设备上的app或通过网络界面)接收来自乘客的输入。
在一些实施例中，自主车辆500可以包括一个或多个网络接口，例如网络接口562，其适合于与一个或多个网络570(例如，局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、无线网络和/或互联网等)通信，以允许与其他计算机和电子设备进行信息的通信，该其他计算机和电子设备包括例如中央服务，例如云服务，自主车辆500从其接收环境和其他数据，以用于其自主控制。在一些实施例中，由一个或多个传感器533A至533I收集的数据可以通过网络570上传到计算***572以用于附加处理。在这样的实施例中，时间戳可以在上传之前与车辆数据的每个实例相关联。
在图5C中图示的处理逻辑522以及此处公开的各种附加控制器和子***通常在操作***的控制下运行，并执行或否则依赖于各种计算机软件应用、组件、程序、对象、模块或数据结构，如可在下面更详细描述的。此外，各种应用、组件、程序、对象或模块也可以在通过网络570耦合到自主车辆500的另一台计算机中的一个或多个处理器上(例如，在分布式、基于云或客户端-服务器计算环境中)执行，由此，实现计算机程序的功能所需的处理可以通过网络分配给多台计算机和/或服务。
被执行以实现这里描述的各种实现方式(无论是实现为操作***的一部分，还是实现为特定应用、组件、程序、对象、模块或指令序列)的例程或者甚至是它们的子集这里将被称为“程序代码”。程序代码通常包括一个或多个指令，该指令在不同时间驻留在各种存储器和存储设备中，并且当被一个或多个处理器读取和执行时，进行执行体现本发明各个方面的步骤或元素所必需的步骤.此外，虽然实施例已经并且在下文中可以在全功能计算机和***的上下文中进行描述，但是应当理解，这里描述的各种实施例能够作为程序产品以各种形式分发，并且可以实现实施例，而无论用于实际执行分发的特定类型的计算机可读媒体如何。计算机可读介质的示例包括有形的、非暂时性的介质，例如易失性和非易失性存储设备、软盘和其他可移动磁盘、固态驱动器、硬盘驱动器、磁带和光盘(例如，CD-ROM、DVD)等等。
此外，下文中描述的各种程序代码可以基于其中其在特定实施例中实现的应用来识别。然而，应当理解，以下任何特定的程序命名法只是为了方便而使用，因此本发明应当不应限于仅在由这种命名法标识和/或暗示的任何特定应用中使用。此外，考虑到计算机程序可以组织成例程、过程、方法、模块、对象等的通常无数种方式，以及其中可以在驻留在典型计算机中的各种软件层(例如，操作***、库、API、应用、小应用)之间分配程序功能的各种方式，应当理解，本发明不限于此处描述的程序功能的特定组织和分配。
受益于本公开的本领域技术人员将认识到，图5C中所示的示例性环境不旨在限制本文公开的实施例。实际上，本领域的技术人员将认识到可以使用其他替代硬件和/或软件环境而不脱离本文公开的实施例的范围。
在本公开的实施例中，可见光可以被定义为具有大约380nm至700nm的波长范围。非可见光可以被定义为波长在可见光范围之外的光，例如紫外光和红外光。波长范围约为700nm–1mm的红外光包括近红外光。在本公开的方面，近红外光可以被定义为具有大约700nm至1.6μm的波长范围。
在本公开的方面，术语“透明”可被定义为具有大于90％的光透射率。在一些方面，术语“透明”可被定义为具有大于90％的可见光透射率的材料。
本公开中的术语“处理逻辑”可以包括一个或多个处理器、微处理器、多核处理器、专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)，以执行这里公开的操作。在一些实施例中，存储器(未示出)被集成到处理逻辑中以存储指令以执行操作和/或存储数据。处理逻辑还可以包括模拟或数字电路，以执行根据本公开的实施例的操作。
本公开中描述的一个或多个“存储器”可以包括一个或多个易失性或非易失性存储器架构。所述一个或多个“存储器”可以是以任何方法或技术实现的可移动和不可移动介质，用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息。示例存储器技术可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM、数字多功能磁盘(DVD)、高清多媒体/数据存储磁盘或其他光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备或可用于存储信息以供计算设备访问的任何其他非传输介质。
网络可以包括任何网络或网络***，例如但不限于以下内容：对等网络；局域网(LAN)；广域网(WAN)；公共网络，例如互联网；专用网络；蜂窝网络；无线网络；有线网络；无线和有线组合网络；以及卫星网络。
通信信道可以包括或通过一个或多个有线或无线通信进行路由，这些通信使用IEEE 802.11协议、蓝牙、SPI(串行外设接口)、I2C(内部集成电路)、USB(通用串行端口)、CAN(控制器区域网络)、蜂窝数据协议(例如3G、4G、LTE、5G)、光通信网络、互联网服务提供商(ISP)、对等网络、局域网(LAN)、广域网(WAN)、公共网络(例如“互联网”)、专用网络、卫星网络或其他网络。
计算设备可以包括台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、平板手机、智能电话、功能电话、服务器计算机等。服务器计算机可以远程位于数据中心或存储在本地。
以上解释的过程是在计算机软件和硬件方面描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质中的机器可执行指令，其当由机器执行时将导致机器执行所描述的操作。此外，这些过程可以体现在硬件中，例如专用集成电路(“ASIC”)或其他。
有形非暂时性机器可读存储介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等)可访问形式提供(即，存储)信息的任何机构。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等)。
本发明的示例性实施例的以上描述(包括在摘要中描述的内容)并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是在本发明的范围内可以进行各种修改，如相关领域的技术人员将认识到的那样。
可以根据以上详细描述对本发明进行这些修改。所附权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限制为说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (15)

1.一种光探测和测距(LIDAR)设备，包括：
波导，所述波导被配置为对红外光场进行路由；
包层，所述包层设置在所述波导的周围；以及
形成在所述包层中的散射阵列，其中，所述散射阵列被配置为扰动由所述波导路由的所述红外光场，以将所述红外光场引导成朝向所述包层的表面传播的红外光束。
2.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述散射阵列与所述波导间隔开特定间隔距离，并且其中，所述波导设置在所述散射阵列与所述包层的所述表面之间。
3.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
与所述包层交界的衬底层，其中，所述散射阵列设置在所述波导和所述衬底层与所述包层的界面之间。
4.根据权利要求3所述的LIDAR设备，还包括：
形成在所述包层中的反射层，其中，所述波导设置在所述反射层和所述散射阵列之间，并且其中，所述反射层被配置为引导所述红外光束通过所述衬底层出射。
5.根据权利要求3所述的LIDAR设备，其中，所述散射阵列与所述界面之间的厚度以及所述波导与所述散射阵列之间的间隔距离被配置为通过相消干涉所述红外光场的下散射部分，来增加所述红外光束的强度。
6.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述散射阵列还被配置为将接收到的红外光束耦合到所述波导中，其中，所述接收到的红外光束是由所述LIDAR设备的外部环境中的目标对所述红外光束的反射。
7.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述包层对所述红外光场是透明的。
8.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述波导具有比所述包层的第二折射率高的第一折射率。
9.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述波导是锥形的，并且随着所述波导接近所述散射阵列，所述波导向外张开，并且其中，所述散射阵列逐渐向外张开。
10.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述红外光束的偏振取向与所述散射阵列中的散射体的长方向相匹配。
11.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
第二波导，其中，所述波导的第一锥形部延伸到所述第二波导的第二锥形部中，
并且其中，所述散射阵列是二维耦合器，所述二维耦合器被配置为在第一偏振取向上散射所述红外光场并且被配置为在第二偏振取向上散射第二红外光场，所述第二红外光场由所述第二波导进行路由。
12.根据权利要求11所述的LIDAR设备，其中，在所述波导中路由的所述红外光场正交于在所述第二波导中传播的所述第二红外光场。
13.根据权利要求11所述的LIDAR设备，其中，所述波导与所述第二波导形成在同一层中。
14.一种自主车辆控制***，包括根据权利要求1至13中任一项所述的LIDAR设备。
15.一种自主车辆，包括根据权利要求1至13中任一项所述的LIDAR设备。
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