阅读说明：本技术 可调谐液晶超表面 (Tunable liquid crystal super surface ) 是由 格列布·M·阿克塞尔罗德 杨元穆 帕特里克·博文 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：可调谐的光学超表面可以包括光学反射表面以反射光学辐射,例如红外激光。光学谐振天线的阵列可以例如以例如小于波长一半的亚波长间隔从反射表面延伸或以其他方式定位在该反射表面上。压控液晶可以定位在每个光谐振天线的光场区域中。控制器可以向光学谐振天线的液晶施加电压差偏置模式,该光学谐振天线可以排列成平铺、交错或随机排列的光学谐振天线的子集,以获得一维波束控制、二维波束控制和/或空间光束成形。(The tunable optical super-surface may include an optically reflective surface to reflect optical radiation, such as infrared laser light. An array of optically resonant antennas may extend from or otherwise be positioned on a reflective surface, e.g., at sub-wavelength intervals of less than half a wavelength. The voltage controlled liquid crystal may be positioned in the optical field area of each optically resonant antenna. The controller may apply a voltage difference bias pattern to the liquid crystals of the optically resonant antennas, which may be arranged into a subset of tiled, staggered, or randomly arranged optically resonant antennas to achieve one-dimensional beam steering, two-dimensional beam steering, and/or spatial beam shaping.)

具体实施方式

可调谐光学超表面可用于光束成形，包括三维光束成形、二维光束导向或一维光束导向。在各种实施方案中，可调谐光学超表面可以包括光学反射表面。光学反射表面可以是选择成反射特定带宽内的光辐射的金属表面。大量的光学谐振天线可以定位在反射表面上。光学谐振天线可以具有亚波长特征并且以亚波长间隔布置。例如，单独的光学谐振天线和其间的间距可以小于波长的一半。

液晶可以定位在光学谐振天线周围，作为光学谐振天线顶部的层，和/或作为光学谐振天线的一部分。数字或模拟控制器可以在每个光学谐振天线的光场区域内选择性地跨液晶施加变化的电压差。电压控制器可以向超表面施加电压差偏置模式，例如闪耀光栅模式，以获得目标光束转向角。

可以将一维电压偏置模式施加于光学谐振的一维天线阵列的光场区域内的液晶以实现一维光束转向。二维电压偏置模式可以施加于光学谐振天线的二维阵列的光场区域内的液晶，以实现二维光束转向和/或空间光束成形。一维光束转向、二维光束转向和空间光束成形在本文中通常被术语“光束成形”所涵盖。

基于光学反射表面、无偏光学谐振天线和无偏液晶的反射特性，超表面可以具有默认的反射角或反射模式。在各种实施方案中，偏置液晶改变了邻近相关联的光学谐振天线的光辐射的反射相位。超表面上的每个不同电压模式对应于不同的反射相位模式。对于光学谐振天线的一维阵列，每个不同的反射相位模式对应于单个维度中的不同转向角。对于光学谐振天线的二维阵列，每个不同的反射相位模式可以对应于不同的二维光束转向角。替代地，可以使用每个不同的反射模式来实现独特的空间光束形式。

可以利用多种形状、尺寸、材料、构造等。例如，光学谐振天线可以形成为从光学反射表面延伸的金属轨道。在一些实施方案中，液晶的沉积物可以填充相邻光学谐振天线之间的每个通道的一部分。在其他实施方案中，液晶可以形成为填充在其间的通道的光学谐振天线的顶部上的层。

电压控制器可以向金属轨道施加电压模式以偏置与其相关联的液晶以获得目标反射相位模式。在光学反射表面是金属并且光学谐振天线是金属的实施方案中，电介质或另一绝缘体可以将金属表面和光学谐振天线分开。电压控制器可以经由超表面周围的触点或经由金属表面中的绝缘通孔连接到金属轨道。

铜是一种适用于通常用于光检测和测距或LiDAR(例如905纳米LiDAR系统和1550纳米LiDAR系统)的红外带宽且具有成本效益的金属的示例。铜也可用于各种其他操作波长，并且已知替代金属(例如金、银、铝等)和各种电介质和金属涂层电介质在各种波长下具有高反射性。应当理解，如本领域中已知的，一些材料可能优选用于可见波长，其他材料可能更适合紫外波长，而还有其他材料可能更适合红外波长。

可调谐光学超表面的一个具体示例是覆盖有二氧化硅的平面铜反射器。10,000到100,000条铜轨道从覆有二氧化硅的铜反射器延伸出来。铜轨道细分为铜轨道子集。每个铜轨道子集包括100到10,000个铜轨道。可调谐光学超表面可以包括与每个子集中铜轨道数量相等的多个电触点。

例如，每个子集可以包括1,000个轨道，并且可调谐光学超表面可以包括总共50,000个金属轨道的50个子集。可调谐光学超表面可以包括1,000个电触点。每个电触点可以连接到每个子集中的一个轨道。

沉积在金属轨道之间的液晶可以经由光学透明盖(例如，玻璃)固定。经由电压控制器向1,000个电触点施加电压模式导致施加到液晶的电压差偏置模式，该电压差偏置模式改变了其局部反射相位。光束转向控制器选择与目标光束转向角的反射相位模式相对应的电压模式。通过修改所施加的电压，入射光辐射可以转向一个方向。使用柱子或支柱代替细长金属轨道的类似实施方案可用于允许二维光束转向或空间光束成形。

上述实施方案和特征的各种组合可用于构建固态光检测和测距(LiDAR)发射器、接收器或收发器系统。根据各种实施方案，收发器系统可以包括用于透射光的第一可调谐光学反射超表面和用于接收由远处物体反射的光(反弹光)的第二可调谐光学反射超表面。到远处物体的距离可以通过测量透射光和反弹光的飞行时间来计算。每个光学反射超表面包括具有亚波长光学谐振天线阵列(例如，二维或一维阵列)的光学反射表面(或反射分层表面)。施加到与光学谐振天线相关联的液晶的电压偏置模式修改了其局部反射相位。控制器可以选择性地施加电压模式以获得目标光束转向角或光束形式。

LiDAR系统可以利用激光二极管光源进行传输，例如以905纳米或1550纳米的标准波长发射光辐射的激光二极管。各种其他波长可以与这里描述的系统和方法一起使用，包括可见波长、亚红外波长和红外波长。LiDAR系统可以包括接收器以将反射的光辐射从目标转向角或光束形状(例如，对应于传输的转向角或光束形状)反射到接收传感器(例如雪崩光电二极管阵列)。

应当理解，本文描述的超表面技术可以结合或以其他方式利用表面散射天线的先前进步成果，例如美国专利公开号2012/0194399中描述的那些，该公开通过引用整体并入本文。在美国专利公开号2014/0266946、2015/0318618、2015/0318620、2015/0380828、2015/0162658和2015/0372389(其中的每一个都通过引用整体并入本文)中描述了以参考波或馈送波为特征的表面散射天线的附加元件、应用和特征。在美国专利申请15/900,676、15,900,683和15/924,744(其中的每一个都通过引用整体并入本文)中描述了光学谐振天线配置和特征尺寸的具体说明。

在本公开中，提供了发射(或接收)实施方案的示例，理解为还设想了相互接收(或发射)实施方案。类似地，应当理解，系统可以仅作为发射器、仅作为接收器、同时作为发射器和接收器进行操作，其具有时分复用发射器/接收器，和/或第一超表面作为发射器而第二超表面充当接收器。

表面散射天线的许多先前进步都集中在相对较低的频率上(例如，微波和射频带)。当前描述的实施方案支持光学带宽，因此适用于LiDAR和其他基于光学的传感系统。具体地，本文描述的系统和方法在亚红外、中红外、高红外和/或可见频率范围(在本文中通常称为“光学”)中操作。考虑到亚波长光学谐振天线和天线间距所需的特征尺寸，所描述的超表面可以使用微光刻和/或纳米光刻工艺制造，例如通常用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的制造方法。

可以与本文公开的实施方案一起使用的一些基础设施已经可用，例如通用计算机、计算机编程工具和技术、数字存储介质和通信链路。本文描述的许多系统、子系统、模块、组件等可以被实现为硬件、固件和/或软件。各种系统、子系统、模块和组件是根据它们执行的功能来描述的，因为存在如此广泛的各种可能的实现方式。例如，可以理解，许多现有的编程语言、硬件设备、频带、电路、软件平台、网络基础设施和/或数据存储可以单独或组合使用以实现特定的控制功能。

还应当理解，这里描述的元件、设备、系统、子系统、组件、模块等中的两个或更多个可以组合为单个元件、设备、系统、子系统、模块或组件。此外，许多元件、设备、系统、子系统、组件和模块可以被复制或进一步划分为分立的元件、设备、系统、子系统、组件或模块以执行这里描述的那些的子任务。本文描述的任何实施方案都可以与本文描述的其他实施方案的任何组合相结合。以其不相互矛盾的程度设想到了实施方案的各种排列和组合。

如本文所使用的，计算设备、系统、子系统、模块或控制器可以包括处理器，例如微处理器、微控制器、逻辑电路等。处理器可以包括一个或多个专用处理设备，例如专用集成电路(ASIC)、可编程阵列逻辑(PAL)、可编程逻辑阵列(PLA)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可定制和/或可编程器件。计算设备还可以包括机器可读存储设备，例如非易失性存储器、静态RAM、动态RAM、ROM、CD-ROM、磁盘、磁带、磁、光、闪存或其他机器可读存储介质。某些实施方案的各个方面可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现或增强。

一些公开的实施方案的组件在本文的图中被描述和图示以提供具体示例。其许多部分可以以多种不同的配置进行布置和设计。此外，与一个实施方案相关联的特征、结构和操作可以应用于结合另一实施方案描述的特征、结构或操作或与其进行组合。在许多实例中，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆本公开的各方面。明确保留将任何描述的实施方案或特征添加到任何一幅图中和/或作为新图的权利。

本公开中提供的系统和方法的实施方案并非旨在限制本公开的范围，而仅代表可能的实施方案。另外，一种方法的步骤不一定需要以任何特定的顺序，甚至按顺序执行，所述步骤也不需要只执行一次。如前所述，关于发射器的描述和变化同样可适用于接收器，反之亦然。

图1A示出了根据一个实施方案的可调谐光学超表面100的图示。在所示的实施方案中，光学超表面包括光学谐振天线150，其被配置为以一维阵列布置的细长轨道。框图150’提供了作为调谐到特定光频率或光频率范围的谐振器的光谐振天线150的概念图。细长的轨道可以连接到可编程逻辑控制器、CPU、微控制器或另一控制器以选择性地施加调谐信号以修改光学谐振天线150的谐振。每个控制引脚120可以允许调谐信号来控制一个或多个光学谐振天线的谐振，如根据本文的各种实施方案详细描述的那样。

图1B示出了以入射角入射在图1A的超表面100上的光辐射125。所示的入射角大约为45度。入射光辐射被示为入射在概念框图150’上，但应理解，光辐射实际上将入射在超表面100的光学谐振天线150上。然而，概念框图150’中所示的音叉提供了超表面100的功能的可视化。

图1C示出了施加的电压差偏置模式175，其被施加到功能框图150’的音叉，以便以第一转向角使入射光辐射125的反射转向。如图所示，不同的电压差175可以被施加于概念框图150’的不同音叉。在各种实施方案中，每个音叉可以代表多个相邻或不相邻的光学谐振天线。如前所述，每个独特的电压差偏置模式175可以对应于不同的辐射模式(例如，光束转向、光束形状、幅度、相位延迟等)。

图ID示出了光辐射125，其以锐角反射为“反射光辐射”126(即，转向角被示为相对于入射角小于90度)。修改施加到光学谐振天线150的电压175改变了影响与其相关联的液晶的电压差。每个不同的电压差修改液晶的折射率并对应于不同的反射相位。在细长轨道型光学谐振天线150的一维阵列中，如图所示，反射相位的每个不同模式导致不同的光束转向角。

图2A示出了根据一个实施方案的固态LiDAR系统200的示例。所示的外壳205仅是示例，并且任何数量的替代形状、尺寸、样式等都是可能的。外壳205的至少一个窗口部分250在操作波长处可以是光学透明的。在一些实施方案中，窗口部分250可以未被覆盖以允许所有光辐射进入外壳205。在另外其他的实施方案中，窗口部分250可以包括滤波器以过滤一些或所有不在操作带宽内的电磁辐射(以及可选地，其谐波)。

图2B示出了具有一维光束转向的图2A的固态LiDAR系统200的透射超表面210和接收超表面215。激光二极管206(例如，905纳米激光二极管或1550纳米激光二极管)经由具有光辐射(为了清楚起见未示出)的准直/聚焦光学器件204照射透射超表面210。入射在透射超表面上的光辐射作为透射的光辐射226从透射超表面反射。控制电路(例如，微芯片235)通过向与其相关联的液晶施加电压差偏置模式以选择对应于反射的光辐射226的目标光束转向角的反射相位模式来调谐透射超表面210的光学谐振天线。

控制电路235还通过施加对应的电压差偏置模式来选择对应于相同目标光束转向角的反射相位模式来调谐接收超表面215的光学谐振天线。透射的光辐射226从远处的物体反弹并被接收超表面215作为反弹的光辐射227接收。通过接收超表面215接收的光辐射227被该超表面以目标光束转向角反射到接收传感器207。接收超表面215可以通过球面透镜(未示出)将光辐射反射到接收传感器207。接收传感器207可以是光电二极管阵列，例如雪崩光电二极管(APD)的阵列或单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列。

图2C示出了图2A和2B的固态LiDAR系统200的示例性光路的俯视图。一个或多个光源(例如，如图所示的二极管206阵列)将光辐射通过准直光学器件204透射到透射超表面210。具体地，来自二极管206阵列的光辐射通过准直光学器件204准直到透射超表面210上的透射孔区域211。

透射的光辐射从一个或多个远处的物体反弹，并被接收超表面215作为反弹的光辐射接收。光辐射被接收超表面215的接收孔区域216反射通过球面透镜217以被接收传感器207接收。图2C还包括透射光束的场相对于由所示光路提供的整个视场(FOV)的图形图201。

图2D示出了根据一个实施方案的固态LiDAR系统200的光路的侧视图。如前所述，一个或多个二极管(例如激光二极管206)生成作为准直光辐射228穿过准直光学器件204的光辐射230。准直光辐射被透射超表面210反射为透射的光辐射226。透射的光辐射从一个或多个远处的物体反弹并作为反弹的光辐射227返回。反弹的光辐射227被接收超表面215反射为反射的光辐射229并被球面透镜217折射。折射的光辐射231由接收传感器207接收。

图3示出了具有反射表面301(例如金属反射器或介电反射器)的光学反射超表面300的示例。反射表面301具有绝缘层305以提供与金属轨道光学谐振天线375的电绝缘。每个光学谐振天线375具有电绝缘层380。电绝缘层380还可以覆盖每个金属轨道光学谐振天线375的顶部。

图4A示出了从光学反射表面410延伸的可调谐光学谐振天线401的特定实施方案。铜天线轨道430从光学反射表面410垂直延伸，但通过一层氧化物或其他介电材料420与其电绝缘。绝缘层440(例如，氮化硅或另一电绝缘层)覆盖每个铜天线轨道430。液晶450沉积在相邻铜天线轨道430之间的间隙内。电压控制器460向铜天线轨道430施加电压。与液晶450相关联的反射相位可基于由电压控制器460生成的铜天线轨道430之间的电压差进行调谐。

图4B示出了根据一个实施方案的具有示例性尺寸的可调谐光学谐振天线403的另一个示例。电压控制器461经由光学反射表面410和氧化物层420中的绝缘通孔与铜天线轨道430电接触。液晶层452覆盖铜天线轨道430上的绝缘体440并填充其间的间隙。绝缘体440可以例如包括氮化硅、氧化物或另一种电绝缘体。

图4C示出了根据一个实施方案的光场区域480，其与从光学反射表面410上的氧化物层420延伸的相邻金属轨道430相关联。由电压控制器460施加的电场通过修改施加在谐振金属轨道430上、周围或其之间的液晶的折射率来调谐光学谐振天线404。

图5示出了根据一个实施方案的液晶520的压控折射率和对应的反射相位510的曲线图500。曲线图500显示反射相位可以基于电介质的折射率520而显著变化。如图所示，近2π弧度的相位调制(折射率调制仅为0.25)是可能的。液晶是基于可变控制电压差提供可变折射率520和对应反射相位510的合适材料。

图6示出了根据一个实施方案的光束转向超表面的模拟600，其中光辐射以-70度入射并以-10度反射，两者均相对于该超表面的法线向量测量。

图7A示出了施加到金属轨道700的一维阵列的第一电压模式790。激光器710产生入射光辐射711以照射具有金属轨道700的一维阵列的可调谐超表面。可以施加高电压和低电压的电压模式790来调谐该超表面以便以大约-50°的第一转向角将入射光辐射711反射为反射光束725。

图7B示出了第二电压模式791，其被施加到金属轨道700的一维阵列以便以大约-30°的第二转向角产生反射光束726。

图7C示出了根据一个实施方案的第三电压模式792，其被施加到金属轨道700的一维阵列以便以大约5°的第三转向角产生反射光束727。

图7D示出了根据一个实施方案的第四电压模式793，其被施加到金属轨道700的一维阵列以便以大约40°的第四转向角产生反射光束728。

总之，图7A至图7D示出了施加各种电压模式以获得各种目标转向角。应当理解，在每个图示的实施方案中，激光器710可以用传感器阵列(例如，APD或SPAD)代替以接收从金属轨道700的接收超表面以目标转向角反射的回弹光辐射。

图8示出了被细分为X个轨道的子集830的光学谐振天线轨道的阵列的框图800，该子集830在芯片上具有X个对应的电压接合焊盘805。路由总线820可以在电压接合焊盘和金属轨道子集830的阵列之间为触点805做路由选择。例如，50,000个铜轨道可以细分为每1,000个铜轨道50个子集830。可调谐光学超表面可以包括与每个子集830中的铜轨道数量相等的电触点805的数量。每个电触点可以连接到每个子集830内的一个轨道。因此，每个铜轨道子集830的反射相位图可以与每隔一个铜轨道子集830的反射相位图相同。

可调谐光学超表面的框图800可用于空间光束成形、二维光束转向或一维光束转向，具体取决于轨道的配置和施加的电压模式。例如，细长轨道的一维阵列可用于一维光束转向。支柱的二维阵列或以二维阵列布置的细长轨道的多个一维阵列可用于二维光束转向和/或空间光束成形。

如在之前的实施方案中，光学轨道子集可以从光学反射表面(如铜)延伸。液晶可以定位在轨道之间，作为每个单独轨道上的覆盖物，在相邻轨道之间的间隙内，或者作为覆盖轨道和其间间隙的层。可以利用多种形状、尺寸、材料、配置等。

图9示出了根据一个实施方案的封装芯片900的示例，其具有经由电触点932的周边可调谐的光学谐振天线的阵列。来自激光二极管的入射光辐射925基于经由电触点932施加的电压(例如，电压或电流电接触)以目标转向角被反射为透射的光辐射926。

图10示出了根据各种实施方案的经由固态LiDAR系统1000的示例性一维扫描图。如图所示，固态LiDAR系统1000可以沿着具有固定垂直视场的水平视场实施一维扫描。透射超表面以第一水平角(例如，图示为120°)以固定的垂直视角(例如，图示为25°)透射光辐射1026。透射的光辐射1026从由平面1050表示的远处的物体反弹，尽管认识到远处的物体可以与固态LiDAR系统1000处于不同距离处并且不一定在同一平面中。

远处的物体将光辐射反弹为反弹的光辐射1027。接收超表面以相应的水平角和垂直视场接收固态LiDAR系统1000。在各种实施方案中，并且如本文所述，固态LiDAR系统可以通过在扫描时间段内修改透射和接收超表面的反射相位模式以各种扫描角沿着水平视场扫描。

在其他实施方案中，LiDAR系统可以包括根据本文所述的任何实施方案的用于透射光束成形的光辐射的可调谐透射超表面。然而，代替使用可调谐超表面来接收反弹的光辐射，LiDAR系统可以包括固定焦点接收器、具有有限调谐能力的接收器和/或一个或多个全向接收器。在其他实施方案中，LiDAR系统可以包括根据本文描述的任何实施方案中的可调谐接收超表面，但是包括更传统的发射器，例如固定焦点发射器、有限焦点发射器或全向发射器。

在另外其他的实施方案中，系统可以仅用作发射器并且包括用于发射光辐射的可调谐超表面，但没有相应的接收器。类似地，系统可以仅用作接收器并且包括用于接收光辐射的可调谐超表面，但没有相应的发射器。

在各种实施方案中的任一个中，光学谐振天线可以形成为用于一维光束转向的细长金属轨道，如所示出和描述的那样。在其他实施方案中，支柱的列和行可以用于二维光束成形和/或空间光束成形。在用于一维光束转向的实施方案中，每个光学谐振天线可以包括第一细长金属轨道，其从具有限定的宽度W和长度L的绝缘体延伸至高度H。金属轨道的比例可以选择成用于操作波长内的特定共振。细长金属轨道可以在下面的反射表面的边缘之间延伸并且可以基本上彼此平行。

类似地，在各种实施方案中的任一个中，光学谐振天线可以包括高Q可调谐振波导，例如高Q可调谐振等离子体波导。这种对电介质折射率的高灵敏度是由谐振的高Q值(例如Q>＝10)实现的。可以使用用于光束转向的多种数学模型中的任一种，包括例如Gerchberg-Saxton算法。

已经参考包括最佳模式在内的各种示例性实施方案做出了本公开。然而，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可以对示例性实施方案进行改变和修改。虽然本公开的原理已在各种实施方案中示出，但在不脱离本公开的原理和范围的情况下，结构、布置、比例、元件、材料和组件的许多修改可适用于特定环境和/或操作要求。这些和其他变化或修改旨在包括在本公开的范围内。

本公开应被视为说明性的而非限制性的，并且所有此类修改旨在包括在其范围内。同样，上面已经关于各种实施方案描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优势、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优势或解决方案发生或变得更加明显的任何要素均不应被解释为关键的、必需的或基本的特征或要素。因此，应确定本公开至少涵盖以下权利要求。