CN110857978A - 单mems反射镜芯片级激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种芯片级激光雷达(光探测和测距)系统、光学组件和激光雷达平台。该系统包括光子芯片、与光子芯片相关联的激光器、光循环器以及MEMS扫描仪。激光器、光循环器和MEMS扫描仪是共线的。光子芯片包括边缘耦合器。光学组件包括外壳和外壳内的平台，该外壳具有孔。该平台包括激光器、光循环器和MEMS扫描仪。

Description

单MEMS反射镜芯片级激光雷达
引言
本主题公开涉及芯片级激光雷达(光探测和测距)系统，尤其涉及芯片级激光雷达的组件和架构。
激光雷达是一种遥感方法，其使用脉冲或频率或相位调制激光器形式的光来测量选定物体的范围和其他参数。激光雷达系统的使用越来越需要减少形状因数和减轻重量，同时仍能提供可靠的测量值。因此，希望提供一种重量轻、体积小的激光雷达系统。
发明内容
在一个示例性实施例中，公开了一种芯片级激光雷达(光探测和测距)系统。该系统包括光子芯片、与光子芯片相关联的激光器、光循环器以及微机电系统(MEMS)扫描仪，其中激光器、光循环器和MEMS扫描仪是共线的。
除了本文所述的一个或多个特征之外，该系统还包括反射镜，该反射镜用于将由光循环器转向的返回光束导向边缘耦合器。该系统包括外壳，该外壳包括孔，其中，MEMS扫描仪引导来自激光器的光穿过该孔。来自激光器的光以非零角度入射到MEMS扫描仪的反射面上。光循环器被放置在光学底座的水平表面上，并且MEMS扫描仪被放置在与光学底座的水平表面成非零角度的表面上。该系统还包括用于控制激光器和MEMS扫描仪的操作的电路板。该系统还包括与光源相关联的光移频器，该光移频器用于移动光源处的本地振荡器频率。
在另一示例性实施例中，公开了一种激光雷达(光探测和测距)平台。激光雷达平台包括：光子芯片，具有激光器和边缘耦合器；光循环器；以及MEMS扫描仪，其中，激光器、光循环器和MEMS扫描仪是共线的。
除了本文所述的一个或多个特征之外，激光雷达平台还包括反射镜，该反射镜用于将由光循环器转向的返回光束导向光子芯片的边缘耦合器。该激光雷达平台包括外壳，该外壳包括孔，其中，MEMS扫描仪引导来自激光器的光穿过该孔。来自激光器的光以非零角度入射到MEMS扫描仪的反射面上。光循环器放置在水平面上，并且MEMS扫描仪放置在与水平面成非零角度的表面上。激光雷达平台还包括电路板，电路板用于控制激光器和MEMS扫描仪的操作。激光雷达平台还包括与光源相关联的光移频器，该光移频器用于移动光源处的本地振荡器频率。
在又一示例性实施例中，公开了一种用于芯片级激光雷达(光探测和测距)的光学组件。光学组件包括外壳和外壳内的平台，该外壳具有孔。该平台包括与光子芯片相关联的激光器、光循环器以及MEMS扫描仪，其中，光源、光循环器和MEMS扫描仪是共线的。
除了本文所述的一个或多个特征之外，激光雷达平台还包括反射镜，该反射镜用于将由光循环器转向的返回光束导向光子芯片的边缘耦合器。MEMS扫描仪引导来自激光器的光穿过该孔。来自激光器的光以非零角度入射到MEMS扫描仪的反射面上。光循环器放置在平台的水平表面上，MEMS扫描仪放置在与水平表面成非零角度的表面上。光学组件还包括电路板，电路板用于控制激光器和MEMS扫描仪的操作。
通过结合附图，从以下详细描述中本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：
图1示出了芯片级激光雷达系统的平面图；
图2示出了图1的芯片级激光雷达系统的侧视图；
图3示出了用于图1的激光雷达系统的组件；以及
图4示出了另选实施例中芯片级激光雷达系统的侧视图。；
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开及其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
根据示例性实施例，图1示出了芯片级激光雷达系统100的平面图。芯片级激光雷达系统100包括光子芯片102、光循环器104和微机电系统(MEMS)扫描仪106。另外，激光雷达系统100包括第一准直透镜108、第二聚焦透镜110和旋转反射镜112。
光子芯片102是扫描调频连续波(FMCW)激光雷达芯片。在各种实施例中，光子芯片102可以是硅光子芯片。光子芯片102包括用于产生光束的激光器120或其他合适的光源、用于在光子芯片102处接收入射光的边缘耦合器122、第一波导124、第二波导126、多模干涉(MMI)耦合器或定向耦合器128以及光电探测器130。激光器120可以集成到光子芯片102中。在各种实施例中，激光器120是主振荡器功率放大器(MOPA)1550纳米激光器。激光器120包括前侧，光束从该前侧透射出光子芯片102。激光器120还包括背面，少量的光从背面逸出激光器。从激光器120背面发射的光被第一波导124捕获，第一波导124将捕获的光导向光电探测器130。第一波导124中的光构成本地振荡器(LO)信号，该信号与入射光进行比较以获得距离和多普勒频率测量值。与第一波导124相关联的移频器132移动本地振荡器的频率，使得能够进行明确的多普勒测量。第二波导126连接到边缘耦合器212，并捕获在边缘耦合器122处接收的光，并将捕获的光导向光电探测器130。MMI或定向耦合器128在光电探测器130前面的位置提供第一波导124中的光和第二波导126中的光之间的光学混合。因此，第一波导124中的光和第二波导126中的光在被光电探测器130接收之前穿过MMI或定向耦合器128。
激光器120发射第一光束115，第一光束115穿过第一准直透镜108和光循环器104，投射在MEMS扫描仪106的反射面106a上。第一光束115在离开激光器120时是发散光束。第一准直透镜108改变第一光束115的发散度，以产生准直光束。第一光束115然后穿过光循环器104投射到反射面106a上。在各种实施例中，光从激光器120到反射面106a的光路是直线，或者基本上是直线。换句话说，激光器120、准直透镜108、光循环器104和反射面106a基本共线。
从MEMS扫描仪106返回的第二光束117穿过光循环器104，光循环器104使第二光束117的光路转向。旋转反射镜112接收来自光循环器104的第二光束117，并将第二光束117导向光子芯片102的边缘耦合器122的方向。聚焦透镜110使得第二光束117会聚到边缘耦合器122上，从而进入光子芯片102。边缘耦合器122与离激光器120间隔开选定的距离。
图2示出了芯片级激光雷达系统100的侧视图。激光雷达系统100的平台被构造为适应激光雷达系统100的元件的选定架构。激光雷达集成平台202包括表面204和容槽206。光子芯片102附接于激光雷达集成平台202的表面204。在各种实施例中，光子芯片102的具有激光器120和边缘耦合器122的一侧与容槽206的壁207共面。光学底座208形成在容槽206中或放置在容槽206中。光学底座208支撑激光雷达系统100的自由空间光学器件，例如光循环器104、MEMS扫描仪106、准直透镜108、聚焦透镜110和旋转反射镜112。光学底座208包括支撑表面210、212、214的构造，一旦光学底座208已经被放置在激光雷达集成平台202的容槽206中，支撑表面210、212、214能够提供第一光束115的直线或基本直线的路径。准直透镜108和聚焦透镜110放置在第一支撑表面210上，并且光循环器104放置在第二支撑表面212上。在各种实施例中，如图2所示，第二支撑表面212低于第一支撑表面210，并且第一支撑表面210低于激光雷达集成平台202的表面204。支撑表面204、210和212的构造使得激光器102、第一准直透镜108和光循环器104能够对准，从而使得第一光束115基本上直线地穿过这些元件。
光学底座208还包括用于支撑MEMS扫描仪106的第三支撑表面214。第三支撑表面与第一支撑表面210和/或第二支撑表面212成一个角度。选择第三支撑表面的角度，以便将来自MEMS扫描仪的第一光束115反射通过选定的立体角。此外，该角度使得入射的第二光束117在MEMS扫描仪106处被反射到光循环器104中。MEMS扫描仪106可以是二维MEMS扫描仪。在各种实施例中，MEMS扫描仪106包括谐振快轴和准静态慢轴，其角度范围分别延伸超过+/-50°和+/-20°。在各种实施例中，MEMS扫描仪106控制将激光器102发射的第一光束115导向物体，并且还控制导向从物体入射的第二光束117。
激光雷达集成平台202附接到激光雷达后检测电子印刷电路板(PCB)220。在各种实施例中，激光雷达集成平台附粘于PCB 220的顶部。PCB 220包括用于激光雷达系统100的电子设备操作的各种电路。例如，PCB 220包括：激光驱动电路222，用于激光器120的操作；光电探测器电路224，用于从光电探测器130读取和处理数据；以及MEMS扫描仪驱动器226，用于控制MEMS扫描仪106的反射表面106a的操作和角度偏差。光电探测器电路224可以使用在光电探测器130处接收的光，根据出射光束115和入射光束117的光学频率之间的差异，来确定物体相对于激光雷达系统100的距离和速度。
图3示出了激光雷达系统100的组件300。组件300包括带有孔304的外壳302。激光雷达系统100被放置在外壳302中，使得从MEMS扫描仪106的反射面106a反射的出射光束和入射光束穿过孔304。孔304可以包括玻璃窗或光学透明材料。外壳302包括用于将激光雷达系统100固定到外壳302的内部安装件308，并且包括用于将包装300固定到诸如车辆的物品的外部安装件310。
图4示出了另选实施例400中的芯片级激光雷达系统100的侧视图。该平台包括光电组件402和印刷电路板404。光电组件402包括第一表面406和第二表面408，如图4所示，第二表面408偏离第一表面406并低于第一表面406。第一表面406支撑光子芯片102和相关联的激光器120。相关联的激光器120可以是集成激光器或片上激光器，或者可以与光子芯片102分离。第二表面408支撑光循环器104、准直透镜108和聚焦透镜110以及MEMS支撑件410。MEMS支撑件410提供表面412，该表面412与光束从激光器120通过光循环器140的路径成一定角度。MEMS扫描仪106被支撑在该表面上，以与反射面106a成非零角度地接收来自激光器120的光。来自反射面106a的光穿过图3的孔304。光电组件402附接在印刷电路板404的顶部。印刷电路板404包括用于激光雷达系统100的操作的各种电路，例如激光驱动器电路、光电探测器电路、MEMS扫描仪驱动器等。
在各种实施例中，激光雷达系统100可以与车辆相关联，并且物体110可以是车辆外部的任何物体，例如另一车辆、行人、电线杆等。激光雷达系统100根据物体110的方位角和仰角确定参数，例如距离和多普勒速度，并且车辆使用这些参数相对于物体110导航，以避免与物体110接触。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解在不脱离其范围的情况下可以进行各种改变并且可以用等同物来替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使具体情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开不受所公开的具体实施例的限制，并且包括落入本公开的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种芯片级激光雷达(光探测和测距)系统，包括：
光子芯片；
与所述光子芯片相关联的激光器；
光循环器；以及
MEMS扫描仪，其中，所述激光器、所述光循环器和所述MEMS扫描仪是共线的。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括反射镜，所述反射镜用于将由所述光循环器转向的返回光束导向边缘耦合器。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括外壳，所述外壳包括孔，其中，所述MEMS扫描仪引导来自所述激光器的光穿过所述孔。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光循环器被放置在光学底座的水平表面上，并且所述MEMS扫描仪被放置在与所述光学底座的水平表面成非零角度的表面上。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
与光源相关联的光移频器，所述光移频器用于移动所述光源处的本地振荡器频率。
6.一种激光雷达(光探测和测距)平台，包括：
具有激光器和边缘耦合器的光子芯片；
光循环器；以及
MEMS扫描仪，其中，所述激光器、所述光循环器和所述MEMS扫描仪是共线的。
7.根据权利要求6所述的激光雷达平台，还包括反射镜，所述反射镜用于将由所述光循环器转向的返回光束导向所述光子芯片的所述边缘耦合器。
8.根据权利要求6所述的激光雷达平台，还包括外壳，所述外壳包括孔，其中，所述MEMS扫描仪引导来自所述激光器的光穿过所述孔。
9.根据权利要求6所述的激光雷达平台，其中，所述光循环器放置在水平面上，并且所述MEMS扫描仪放置在与所述水平面成非零角度的表面上。
10.根据权利要求6所述的激光雷达平台，还包括：
与光源相关联的光移频器，所述光移频器用于移动所述光源处的本地振荡器频率。
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