[发明专利]光学天线、光学相控阵发射机及激光雷达系统

说明书

本发明提供了一种光学天线(300)、光学相控阵发射机以及使用上述装置的激光雷达系统。所述光学天线(300)包括基底，构成具有第一材料的反射层(310)至少一部分；波导层(350)，布置在反射层(310)上方并包括第二材料；分隔层(330)，布置在波导层(350)和反射层(310)之间并包括第三材料。所述波导层(350)还具有第一光栅阵列(359)。所述反射层(310)用于反射由波导层(350)向下发射的光。第三材料的折射率小于第一材料或第二材料的折射率。

技术领域

本发明涉及一种光学天线、光学相控阵(optical phased array，简称“OPA”)发射机以及使用上述装置的激光雷达系统，尤其涉及一种使用OPA激光雷达系统进行距离感测、环境测绘和障碍物探测的可移动式车辆。

背景技术

距离感测和环境测绘最近已成为一个热门的研究领域，在工业上有多种用途，例如，可以帮助安全系统发现可疑的正在靠近的物体，还可以帮助无人机或机器人感知周围环境，估计与环境中物体间隔的距离，从而进行避让。不过，潜在的最大和最重要的应用是在自动驾驶领域中的应用，因为自动驾驶需要车辆能够感测距离和障碍物(行人、其他车辆、路障及树木等)，以在复杂的道路条件下，代替人类驾驶员操作车辆。

为了达到这一目的，往往会使用一种渡越时间装置。渡越时间装置可测量波(如声波及电磁波等)越过自身与物体之间距离所需的时间。渡越时间装置配有一个接收机，能够接收物体反射的波，而且在已知波速的情况下，渡越时间装置还能够计算出该装置与物体之间的距离，进而确定其空间位置。常规渡越时间装置包括超声波测距装置和雷达。最近，使用激光雷达(Light Detection and Ranging，简称lidar)技术的设备被应用到了自动驾驶领域。激光雷达使用脉冲激光测量自身与三维(three-dimensional，简称“3D”)空间中的大量(通常达百万级或以上)点位之间的距离，以获得该距离以及物体在3D空间中3D表象信息。

目前大部分市售商用激光雷达系统都是机械激光雷达，采用一种可高速旋转的激光雷达扫描仪，例如，能以360°视场向周围环境放射激光。然而，机械激光雷达往往容易出现机械故障，这样就会降低可靠性和使用寿命。同时也非常笨重，因此，必须安装在车辆顶部，造成外形不太美观，不易吸引潜在用户。

随着激光雷达技术的发展，引入了固态激光雷达作为替代装置，其具有紧凑廉价的特点，可满足自动驾驶中距离感测和环境测绘的需求。固态激光雷达具有光子集成电路(photonic integrated circuit，简称“PIC”)，从半导体组件向环境中发射激光束。通过激光雷达配置的偏光组件(如准直仪)，可以控制激光束向各个方向发射，因此无需再旋转激光雷达扫描仪。在激光束到达目标并被反射后，激光雷达的光学接收机可接收该激光束，然后将光信号转换为电子信号以用于后续处理。激光雷达的处理电子器件可将电子信号转换为点云，用于重建环境的3D表象，也包括渲染各感测目标。

由于各种原因，固态激光雷达尤其是OPA激光雷达现在仍处于开发阶段，尚未完全商用。与机械激光雷达相比，OPA激光雷达的一个最大障碍是，光发射效率较低，因此需要具有较高的功率；否则，接收和数据处理的精度就会降低。因此，需要提供一种高效的光学天线、OPA发射机以及使用上述装置的激光雷达系统，所有这些装置可减少能量损耗，以便实现固态激光雷达的商用。

发明内容

本发明涉及光传输装置。具体而言，此类装置可包括光学天线、OPA发射机以及使用上述装置的激光雷达系统。

一方面，本发明实施例提供了一种用于光传输的光学天线。该光学天线包括基底，构成含有第一材料的反射层的至少一部分；波导层，布置在反射层上方且含有第二材料；分隔层，布置在波导层和反射层之间且含有第三材料。波导层还具有第一光栅阵列。反射层用于反射由波导层向下发射的光。第三材料的折射率小于第一材料或第二材料的折射率。