一种大视场高分辨全固态光学扫描系统

1.本发明涉及光学扫描技术领域，特别涉及一种大视场高分辨全固态光学扫描系统。


背景技术：

2.光学扫描是指对光束方向精确控制和定位的技术，该技术被广泛应用于激光雷达、激光和自由空间光通信。目前光学扫描技术主要包括基于旋转平面反射镜或三棱镜的机械式扫描、基于电光扫描、声光扫描或液晶的微机电式扫描和全固态式扫描。传统机械扫描受限其体积和重量，存在定位精度差、扫描速度慢等缺点；微机电式光学扫描存在控制系统复杂、受到震动的影响会降低精度和可靠性，产生漂移、影响寿命等问题。全固态式光学扫描摒弃机械装置、利用电路驱动实现光学扫描，具有可靠性高、体积小等优点，是光学扫描的主要研究方向。目前实现全固态光学扫描的方法主要为光学相控阵技术，该技术存在相位控制系统复杂、存在旁瓣效应、阵列间距半波长等问题，而上海光机所2010提出基于电光晶体开关阵列的光学扫描存在扫描范围仅有1.5*1.5
°
，且加载电压高达1900v。因此，寻找到一种结构较为简单的大视场高分辨全固态光学扫描方法尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：针对上述现有光束扫描方法的不足，提供一种大视场高分辨全固态光学扫描系统，通过电控光开关实现大角度低分辨率扫描，光栅耦合器与波长调谐实现小视场高分辨扫描，从而实现对高分辨大视场扫描，同时系统结构紧凑、重量轻便、集成度高。
4.本发明提出如下技术方案：
5.一种大视场高分辨全固态光学扫描系统，所述系统由频率调制光源、集成芯片、光学透镜组组成，所述频率调制光源为等频率间隔的可调光源，所述集成芯片由级联光开关与阵列光栅耦合器组成，所述透镜组由第一层的阵列聚焦透镜、第二层的阵列扩束镜组和第三层的聚焦透镜组成；所述频率调制光源输出光束至所述级联光开关，经由所述级联光开关选通后，传输到所述阵列光栅耦合器，而后经过光学透镜组；所述系统通过电控级联光开关实现大角度低分辨率扫描，通过阵列光栅耦合器中的光栅耦合器与波长调谐实现小视场高分辨扫描。
6.进一步的，所述频率调制光源通过窄线宽光源频率调制或通过宽谱光源滤波。
7.进一步的，所述的频率调制光源包括宽光谱光源和无源波长分光器件，所述宽光谱光源发出光束经过所述无源波长分光器件分成若干束窄线宽光束。
8.进一步的，所述的级联光开关由多模干涉器和热控或电控马赫曾德干涉器组成，实现分光和通道选通。
9.进一步的，所述多模干涉器的分光特性按照下式确定：
[0010][0011]
其中，m、n是多模干涉器的输入、输出端口数量；φ是多模干涉器的相对相位矩阵，其对应的每一个相对相位是：
[0012][0013]
其中，m、n分别表示矩阵的第m行和第n列。
[0014]
进一步的，所述热控或电控马赫曾德干涉器的通道选通特性按照下式确定：
[0015][0016]
其中，v
π
为半波电压，即该电压下马赫曾德干涉器上下两臂会产生π的相位差，v为两臂实际电压差。
[0017]
进一步的，所述的第二层阵列扩束镜组由微透镜阵列或超透镜阵列组成，所述第二层阵列扩束镜组能够根据需求设计任意放大倍率，实现各分离视场全覆盖。
[0018]
进一步的，所述的大角度低分辨率扫描即通过电控级联光开关选通阵列光栅耦合器中不同的光栅耦合器通光，经过光学透镜组实现大角度离散扫描，并且，按照下式确定所扫描的大视场范围：
[0019][0020]
其中，d为聚焦透镜口径，f为聚焦透镜焦距。
[0021]
进一步的，所述的小视场高分辨扫描即对应某一个离散角度的光栅耦合器通过波长调谐实现，按照下式确定光栅耦合器出射角度：
[0022]
t(n
eff-n1sinθ)＝mλ m＝
±
1，
±
2，
…
[0023]
其中，t为光栅耦合器周期，n
eff
为光栅耦合器有效折射率，n1为空气折射率，θ为光栅耦合器出射角度，λ为波长，m为衍射级次。
[0024]
进一步的，所述的阵列光栅耦合器采用线阵或面阵排布，实现线视场或面视场大角度扫描。
[0025]
本发明与现有技术相比具有如下技术优点：
[0026]
(1)本发明取消了机械转动部件，较传统机械扫描具有整体结构紧凑、重量轻便、可靠性高等优点。
[0027]
(2)本发明无需多通道相位精确控制，较传统相控阵技术大幅简化片上与电控系统复杂度。
[0028]
(3)本发明扫描速度只取决于光开关调制频率，可达兆赫兹；扫描视场只取决于阵列光栅耦合器系统尺寸，不受系统像差影响，可实现激光光束的高速大角度高分辨扫描，其未来可用于激光雷达成像。
[0029]
(4)本发明可实现大视场离散采样与小视场高分辨扫描，两种模式可任意切换。
[0030]
(5)本发明可利用光开关同时选通多个通道，实现多光束同步扫描。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例中的大视场高分辨全固态光学扫描系统平面示意图；
[0032]
图2为本发明实施例中的频率调制光源结构示意图；
[0033]
图3为本发明实施例中的扫描原理示意图。
[0034]
图1中：1为频率调制光源；2为集成芯片，3为级联光开关，4为阵列光栅耦合器；5为阵列聚焦透镜；6为阵列扩束镜组；7为聚焦透镜。
[0035]
图2中：8为宽谱光源；9为无源波长分光器件；10为级联光开关。
[0036]
图3中：11为级联光开关；12为阵列光栅耦合器的某个光栅耦合器；13为阵列聚焦透镜；14为阵列扩束镜组；15为聚焦透镜。
具体实施方式
[0037]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0038]
为说明本发明所述一种大视场高分辨全固态光学扫描系统，下面结合图1所述的系统总体结构示意图以及图2、图3进行说明。
[0039]
以图2为例，本实施例中的频率调制光源1输出特定单束或多束窄线宽光束的实现方式为：宽光谱光源8发出光束经过无源波长分光器件9(如介质薄膜滤波器、阵列波导光栅或梳状滤波器等)分成若干束窄线宽光束。随后每束窄线宽光束通过级联光开关10(如马赫-曾德尔干涉仪式)进行选通输出。通过控制级联光开关10的选通时序和选通组合即可实现单束或多束窄线宽光束的控制输出，并分时耦合到集成芯片2中。
[0040]
以图3为例，下面说明本实施例在垂直方向(沿光栅耦合器12长度方向)和水平方向(沿光栅耦合器12宽度方向)的二维扫描工作原理。
[0041]
首先说明垂直方向扫描工作原理，以波长λ0为例，当波长λ0的光耦合到集成芯片2上后，经由级联光开关11进行选通，传输到阵列光栅耦合器4的某一光栅耦合器12上。光栅出射光角度θ0由相位匹配公式决定：
[0042]
t(n
eff-n1sinθ0)＝mλ
0 m＝
±
1，
±
2，
…
[0043]
其中，t为光栅耦合器周期，n
eff
为光栅耦合器有效折射率，n1为空气折射率，m为衍射级次，在光栅设计过程中会被确定具体数值。
[0044]
经由阵列聚焦透镜13和阵列扩束镜组14传输，光栅耦合器12的θ0角出射光垂直入射到聚焦透镜15前焦面的某一位置处，最后通过聚焦透镜15实现某一个离散视场θ0的扫描。
[0045]
改变光源波长为λ1，同样选通光栅耦合器12，根据相位匹配公式，光栅耦合器12出射角度将变为θ1，经由阵列聚焦透镜13和阵列扩束镜组14传输，垂直入射到聚焦透镜15前焦面的另一位置处，最后通过聚焦透镜15实现另一个离散视场θ1的扫描。
[0046]
如此，通过改变频率调制光源1波长λ和选通阵列光栅耦合器4处的不同光栅，使得出射光位于聚焦透镜7前焦面的不同位置处，即可实现系统在垂直方向上的光束扫描。
[0047]
而通过对阵列光栅耦合器4在水平方向上进行密集排布，在某次扫描过程中选通
水平方向上的不同光栅即可实现水平方向扫描。
[0048]
综合上述垂直扫描和水平扫描，本发明可实现二维大视场的全视场高分辨扫描。
[0049]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。