[發明專利]一種全電控二維光束掃描裝置

有效

• 申請號: 202010255346.1
• 申請日: 2020-04-02
• 公開（公告）號: CN111398983B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 國偉華;談蘇;陸巧銀
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01S17/66
• 分類號: G01S17/66;G01S7/481
• 代理公司: 深圳市迪斯卓越專利代理事務所(普通合伙) 44443
• 代理人: 閔華明;李小艷

本發明提出了一種全電控二維光束掃描裝置，該裝置包括激光器、一維波導相控陣、柱透鏡、MEMS反射鏡和控制芯片；所述一維波導相控陣用于將入射激光光束通過相控陣產生一維的第一掃描光束，該第一掃描光束經柱透鏡整形，再經MEMS反射鏡反射至自由空間，所述MEMS反射鏡繞軸轉動，所述一維波導相控陣與所述MEMS反射鏡均電連接于控制芯片，以控制從MEMS反射鏡射出的第二掃描光束實現全空間二維掃描。本發明提供的二維光束掃描裝置通過混合集成一維相控陣和MEMS反射鏡，實現了激光光束的全空間二維掃描，相比于傳統二維相控陣系統，本發明的優勢是：節約了激光器成本，減少了控制芯片工作負荷，降低了芯片功耗，緩解了散熱壓力，利于系統的小型化集成。

技術領域

本發明屬于光學相控陣技術領域，尤其涉及一種混合集成二維光束偏轉裝置。

背景技術

與傳統微波雷達利用微波掃描類似，激光雷達通過控制激光束的偏轉來搜尋和跟蹤目標，進而達到獲取目標距離、方位和速度等信息的目的。但是由于激光雷達在時域、頻域以及空域上有著較高的分辨率，再加上它較好的隱蔽性以及體積小等優點，使得它在目標探測領域迅速得到廣泛的應用與關注。不過目前傳統的機械式掃描激光雷達，因其較為復雜的系統以及由慣性導致較低機械掃描速度已越來越無法滿足高性能雷達的要求。

人們很早就開始研究微波相控陣技術，而光學相控陣的概念正是來源于微波相控陣。雖然光學相控陣是基于微波相控陣提出的一種新的光束偏轉技術，但是兩者仍存在著一些較大的差異。差異的主要在于兩者所適用的波長的階數上，與微波波長相比，顯然光波波長要短得多。因此微波相控陣通常在厘米波最多到毫米波范圍內工作，而光學相控陣一般都是微米波。雖然兩者都是通過控制每個輻射單元的初始相位來實現相應波束掃描，但是兩者產生相移的方式不同。光學相控陣可通過編程來實現相位控制進而控制光束的方向與形狀，因此它可以為激光雷達以及其他的電光傳感器提供可編程波束掃描，例如：連續的圖像掃描、多波束的產生、自由空間光通信以及遠場波束形狀的控制等。不僅如此，它還可以與其驅動電路集成在一起，使系統更加趨于小型化、智能化。在這種情況下，芯片級的激光雷達系統的出現有了可能。

近些年，國內外對二維光學相控陣的研究取得一些進展。2015年Keyvan Sayyah制作了和VCSEL集成的二維光學相控陣芯片(Sayyah K,Efimov O,Patterson P,et al.Two-dimensional pseudo-random optical phased array based on tandem opticalinjection locking of vertical cavity surface emitting lasers[J].Opticsexpress,2015,23(15):19405-19416.)。通過改變VCSEL注入鎖定區的驅動電流實現每個單元近似的相移。同時通過隨機布置64個發射單元的位置，在±5°的范圍內實現了7.7dB的側瓣抑制比。

2014年，Berkley大學的B.W.Yoo制作了32×32的MEMS陣列實現光束掃描(MegensM,Yoo B W,Chan T,et al.High-speed 32×32MEMS optical phased array[C]//MOEMSand Miniaturized Systems XIII.International Society for Optics and Photonics,2014,8977:89770H.)。單個反射鏡的反射效率大于99.9％，相應頻率達到0.42MHz，整個芯片可以實現最大±2°的掃描角度。

但是現有的二維光學相控陣的控制十分復雜，傳統的M×N個陣元的二維光學相控陣就需要M×N個獨立的控制單元。控制的復雜不僅會帶來很高的控制電路成本，更會增加二維光學相控陣模塊整體的體積和功耗。

發明內容

本發明的目的在于提供一種全電控的二維光束掃描裝置，通過混合集成的方式解決傳統二維光學相控陣系統存在的控制復雜和功耗過高的問題。