CN105408769A - 曲面基板上的光电探测器阵列 - Google Patents

Abstract

在一些应用中，会期望将多个光电探测器定位在由光学系统限定的弯曲的焦曲面上的精确位置。为了实现该定位，光电探测器可以被安装在平坦配置的柔性基板上的期望位置处。安装有光电探测器的柔性基板可以然后被成形为与弯曲的焦曲面的形状基本上一致。该成形可以通过将柔性基板夹在至少两个夹紧件之间而实现。夹在所述至少两个夹紧件之间的弯曲的柔性基板可以被相对于光学系统定位，使得光电探测器位于弯曲的焦曲面上的期望三维位置处。

Description

曲面基板上的光电探测器阵列

背景技术

除非这里另外地指明，在本部分描述的内容不是对于本申请中的权利要求的现有技术并且不由于包括在本部分中而被承认是现有技术。

光探测和测距(LIDAR)装置能够通过发射光到环境中并接收所发射的光中的从环境中的物体朝向LIDAR装置反射回的部分而检测在其环境中的物体。所接收的光可以通过一个或多个光电探测器检测。例如，LIDAR装置可以包括将所接收的光聚焦到一个或多个光电探测器上的光学系统。

发明内容

在一个方面中，示例实施方式提供一种装置，该装置包括限定具有弯曲形状的焦曲面(focalsurface)的光学系统、柔性基板、安装在柔性基板上的多个光电探测器以及夹具。夹具包括至少第一夹紧件(clampingpiece)和第二夹紧件。第一夹紧件具有对应于焦曲面的弯曲形状的凸表面。第二夹紧件具有对应于焦曲面的弯曲形状的凹表面。夹具被配置为将柔性基板保持在第一夹紧件和第二夹紧件之间，使得柔性基板与焦曲面的弯曲形状基本上一致并且所述多个光电探测器中的每个光电探测器在焦曲面上的相应位置处。

在另一方面中，示例实施方式提供一种方法。该方法包括将多个光电探测器安装在平坦配置的柔性基板上使得每个光电探测器具有在柔性基板上的相应的二维位置。该方法还包括弯曲其上安装有所述多个光电探测器的柔性基板，使得弯曲的柔性基板与由光学系统限定的弯曲的焦曲面基本上一致。更进一步，该方法包括相对于光学系统定位弯曲的柔性基板，使得所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于焦曲面上的相应的三维位置。

在另一方面中，示例实施方式提供一种系统，该系统包括：用于将多个光电探测器安装在平坦配置的柔性基板上使得每个光电探测器具有在柔性基板上的相应的二维位置的机构；用于弯曲其上安装有所述多个光电探测器的柔性基板使得弯曲的柔性基板与由光学系统限定的弯曲的焦曲面基本上一致的机构；以及用于相对于光学系统定位弯曲的柔性基板使得所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于焦曲面上的相应的三维位置的机构。

附图说明

图1是根据示例实施方式的装置的示意图，该装置包括光学系统和位于由光学系统限定的焦曲面上的光电探测器的阵列。

图2是根据示例实施方式的组件的俯视图，该组件包括保持在两个夹紧件之间的柔性基板上的光电探测器的阵列。

图3是根据示例实施方式的图2的组件的侧视图。

图4是根据示例实施方式的用于将光电探测器定位在弯曲的焦曲面上的方法的流程图。

具体实施方式

以下的详细说明参照附图描述所公开的系统、装置和方法的各种特征和功能。在附图中，类似的符号识别类似的部件，除非上下文另外地指示。这里描述的说明性的系统、装置和方法实施方式不意味着是限制。本领域技术人员可以容易地理解，所公开的系统、装置和方法的某些方面可以以各种不同的构造来布置和结合，所有这些不同的构造均在这里被考虑。

在一些应用中，会期望将多个光电探测器(例如，雪崩光电二极管)定位在由光学系统限定的弯曲的焦曲面上的精确位置。为了实现这种定位，光电探测器可以安装在平坦配置的柔性印刷电路板(PCB)或其它柔性基板上的期望位置处。安装工艺可以使用能够在基板上提供光电探测器的准确二维放置的芯片焊接机或其它电脑控制的“拾取和放置”系统来进行。

安装有光电探测器的柔性基板可以然后成形为与弯曲的焦曲面的形状基本上一致。这种成形能够通过将柔性基板夹在两个夹紧件之间而实现。一个夹紧件可以具有对应于弯曲的焦曲面的形状的凸表面，另一夹紧件可以具有对应于弯曲的焦曲面的形状的凹表面。当柔性基板保持在夹紧件之间时，柔性基板与夹紧件的凸表面和凹表面的弯曲形状一致。

夹紧件能够通过将夹紧件栓接在一起或通过其它机构而与其间的柔性基板保持在一起。此外，合销(dowelpin)可以插入穿过夹紧件和柔性基板中的对应孔以提供柔性基板相对于夹紧件的期望的横向放置。

非限制性的示例应用是在光探测和测距(LIDAR)系统中的多个返回光脉冲的探测。LIDAR系统能够通过发射光的入射脉冲到环境中、检测从环境中的一个或多个物体反射的返回脉冲、以及根据在入射脉冲的发射和对应的反射脉冲的接收之间的时间延迟来确定到所述一个或多个物体的距离而检测在其环境中的所述一个或多个物体的位置。通过发射光的入射脉冲并测量在多个方向上的时间延迟，可以逐渐形成环境的“点云(pointcloud)”地图。

将理解，LIDAR仅是示例应用。这里描述的装置和方法可以用于其中光电探测器被用来在弯曲的焦曲面检测光的任何应用。

图1示出示例装置100，该示例装置100包括光学系统和定位在由光学系统限定的弯曲的焦曲面上的多个光电探测器。在此示例中，光学系统被显示为具有非球面120和环曲面(toroidalsurface)130的透镜110。透镜110被配置为将光聚集到弯曲的焦曲面140上。多个光电探测器150被安装在柔性基板160上，柔性基板160被定位和弯曲使得光电探测器150位于弯曲的焦曲面140上。

在装置100中，透镜110可以将来自不同方向的光聚焦到光电探测器150中的不同的对应光电探测器上。如图1所示，光的入射束170被透镜110折射使得它聚焦在弯曲的焦曲面140上的对应光电探测器150a上。光的另一入射束180(其与透镜110的光轴成一角度)被透镜110折射使得它聚焦在弯曲的焦曲面140上的对应光电探测器150b上。

尽管在图1的示例中光学系统被显示为具有特定形状的透镜110，但是光学系统可以包括其它类型的透镜和/或其它元件以提供弯曲的焦曲面。例如，光学系统可以包括一个或多个反射、折射或衍射元件。光学系统还可以包括一个或多个滤波元件、偏振元件或光学地非线性元件。此外，光学系统可以包括以上列出的光学元件的每个或本领域技术人员熟悉的未提及的光学元件的一个或多个的组合。组合的布置不需要具有单一的公共光轴或关于任何轴对称。

光学系统(例如，透镜110)还可以执行其它功能。例如，LIDAR系统可以包括通过光学系统发射光的一个或多个光源。此外，每个光源可以与光电探测器150中的对应光电探测器配对，使得由光源通过光学系统发射并被环境中的物体反射的光被光学系统聚焦在其对应的光电探测器上。

图1中显示的特定的焦曲面140仅用于说明目的，而不意味着约束光电探测器150的可能的布置或光学系统的构造。焦曲面140不需要关于旋转轴对称或具有对称面(如图1中隐含的)。实际上，焦曲面140可以是由光学系统提供的任何弯曲表面。

如图1所示的光电探测器150在柔性基板160上的规则布置旨在用作说明性示例。通常，光电探测器150在柔性基板160上的放置不需要是规则的，而是可以为根据具体应用的要求的任何图案。例如，如果装置100是附接到车辆的LIDAR系统的部分，则它具有关于车辆的环境中的特定兴趣的区域的高分辨率信息可能是有用的。因而，光电探测器150可以在柔性基板160上在对应于特定兴趣的区域的位置更密集地分布。

图2和图3示出非限制性的示例组件200，其中光电探测器210的阵列定位在对应于光学系统(未示出)的焦曲面的弯曲表面上。图2示出组件200的俯视图，图3示出侧视图。组件200包括安装在柔性PCB220上并连接到柔性PCB220上的相应的导电迹线230的光电探测器210的阵列。导电迹线230电连接到柔性PCB220上的连接器240。在此示例中，光电探测器210是雪崩光电二极管，它们布置在四个交错平行的行中。该布置可以对应于其中每个光电探测器与对应的光源配对的LIDAR系统(未示出)中的多个光源。

在一个示例中，组件200与透镜一起使用。组件200可被用于装置，诸如图1所示的装置100中，其中透镜或其它光学系统提供弯曲的焦曲面。透镜可以具有非球面和环曲面。环曲面可以具有对应于平行于光电探测器210的行的方向的第一曲率和对应于垂直于光电探测器210的行的方向的第二曲率。

柔性PCB220被夹在上夹紧件250和下夹紧件260之间并且夹紧件通过螺栓270固定在一起。如图3所示，上夹紧件250包括弯曲的凸表面255，下夹紧件260包括弯曲的凹表面265。这些弯曲表面对应于彼此并且对应于焦曲面的弯曲形状。柔性PCB220通过将其放置在上夹紧件250和下夹紧件260之间并通过螺栓270将夹紧件固定在一起而形成为焦曲面的弯曲形状。通过被夹在其形状对应于光学系统的弯曲的焦曲面的弯曲表面之间，柔性PCB220将安装在其上的光电探测器210定位为位于在对应于透镜或其它光学系统的弯曲的焦曲面的空间中的弯曲形状上。

如图2所示，一对对准孔280可以穿过上夹紧件250、柔性PCB220延伸并延伸到下夹紧件260中。对准孔280可以接收对应的合销以机械地固定柔性PCB220相对于夹紧件250、260的对准。合销和孔的系统还可以用来帮助示例装置200的组装。

如图2和图3所示，示例装置200包括每个为单一的机械加工部件的上夹紧件250和下夹紧件260。这不旨在限制用于实施方式中的夹紧件的形式；上夹紧件和/或下夹紧件可以每个由一个或多个部件制成，只要上夹紧件的部件和下夹紧件的部件可以在柔性基板周围固定在一起以将柔性基板形成为焦曲面的弯曲形状。

在示例组件200中的夹紧件250、260被示出使用螺栓270固定在一起，但是这旨在作为非限制性示例。夹紧件可以通过其它机构(包括夹子、粘合剂、焊接、外部夹钳、磁体或磁铁、水压或气压的外部施加或本领域技术人员熟悉的附接部件的其它方法中的任一种)来附接。

此外，对准孔280和对应的合销的使用旨在作为非限制性示例方式以将基板220相对于夹紧件250、260定位。孔的位置和数目可以不同于示例装置200。孔可以完全地或部分地穿过夹紧件中的一个或两个。所述销钉可以与夹紧件分离或它们可以是夹紧件中的一个或两者的结构的部分。所述销钉可以保持作为组件的部分或可以仅在制造期间被使用并随后被除去。还可以使用不依靠对准孔或合销而使基板与夹紧件对准的替换方法。

在一个示例中，在示例组件200中的位于柔性PCB220上的光电探测器元件210是雪崩光电二极管。在另一些示例中，光电探测器元件可以包括光电晶体管、雪崩光电晶体管、光电二极管、光伏电池、光敏电阻器、热电检测器、CMOS有源像素传感器、CCD元件或为本领域技术人员熟悉的任何其它光电探测器元件。此外，所述多个光电探测器元件不必仅包括一种类型的传感器，而是可以包括不同类型的混合。此外，光电探测器可以配置为检测在电磁光谱的可见、紫外和/或红外部分中的光的波长。在一些示例中，滤波器可以放置在光电探测器上以便限制到达光电探测器的波长。

此外，除了柔性PCB220上的相应的导电迹线230和连接器240外，光电探测器210与检测系统的电连接可以以其它方式实现。例如，光电探测器可以通过单独的配线或电缆连接到检测系统，该单独的配线或电缆可以独立于柔性基板或夹紧件，或以某些方式机械地或电地接合到柔性基板或夹紧件。该连接还可以通过RF微带线实现，RF微带线可以独立于柔性基板或被图案化在柔性基板上。光电探测器还可以通过没有列出但是为本领域技术人员所熟悉的其它方法连接。光电探测器在柔性基板上的安装可以通过如该示例中的与相应的迹线的结合来实现，或者它可以通过利用粘合剂或为本领域技术人员所熟悉的其它方法实现。

在示例组件200中的光电探测器210以规则间距在柔性基板220上布置为交错平行的行；然而，权利要求的实施方式可以根据光学系统的光场的期望采样而以任何图案在柔性基板上布置光电探测器。该布置可以由仅一行或多行组成；在一行内的光电探测器的布置可以是规则的或者具有任意的间隔。光电探测器可以布置成正方形、六边形或其它规则地棋盘形图案，或布置为不规则图案。

图2和图3所示的示例组件200中的柔性基板是柔性PCB220。然而，可以使用其它柔性基板。基板可以是金属性的，并可以配置为用作接地面以屏蔽光电探测器而不受电噪声影响。柔性基板还可以由能够被弯曲为与由光学系统限定的弯曲光学表面一致并且光电探测器可以在指定位置粘合到其上的其它材料制成。

如图3所示的在夹紧件250、260之间的柔性PCB220的弯曲旨在示出所要求的装置的一个可能的实施方式。该弯曲可以根据基本上与光学系统的弯曲焦曲面对应的任何曲线。此外，该弯曲不必仅在一个方向上，而是可以根据柔性基板弯曲的能力而在两个方向上。该弯曲可以平行于基板上的光电探测器的行的方向或相对于光电探测器在基板上的布置成任何角度。该弯曲也可以在多个方向上。

光学系统的焦曲面的弯曲形状和夹紧件中的PCB220的弯曲形状之间的匹配精确性也可以改变，例如取决于聚焦将被实现在弯曲PCB220上的光电探测器210处的精确程度。例如，光电探测器210可以每个具有足够大的感光区域，使得在光聚焦到光电探测器210中的一定量的不精确性可以是可接受的。因而，光电探测器210相对于光学系统的焦曲面的位置之间的一些量的偏移可以是可容忍的。

图4示出用于将光电探测器放置在弯曲的焦曲面上的相应的三维位置处的非限制性示例方法400。该方法400包括：将多个光电探测器安装在平坦配置的柔性基板上(方框410)；弯曲柔性基板使得弯曲的柔性基板与由光学系统限定的焦曲面的弯曲形状基本上一致(方框420)；以及相对于光学系统定位弯曲的柔性基板，使得所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于焦曲面上的相应的三维位置(方框430)。

在方法400的示例实施例中，将所述多个光电探测器安装在平坦配置的柔性基板上(方框410)包括使用拾取和放置机器将雪崩光电二极管放置在柔性PCB上的平行的行中然后将光电二极管芯片焊接(die-bonding)到PCB上的相应的导电迹线。光电探测器布置成多行意味着作为方法400的示例实施方式而不是限制。光电探测器可以布置成单行或为重复的正方形或六边形图案或其它图案。

作为方法400的另一示例，弯曲柔性基板使得弯曲的柔性基板与由光学系统限定的焦曲面的弯曲形状基本上一致(方框420)可以包括将柔性PCB夹在两个夹紧件之间。夹紧件中的一个具有对应于由透镜提供的弯曲的焦曲面的形状的凸表面，夹紧件中的另一个具有对应于弯曲的焦曲面的形状的凹表面。柔性PCB和夹紧件包括对应的对准孔。销钉(dowel)插入穿过柔性PCB和夹紧件中的对准孔以固定柔性PCB相对于夹紧件的定位。柔性PCB然后通过在夹紧件之间被挤压而形成为弯曲的焦曲面的形状。夹紧件然后被栓接在一起。这些操作使得安装在柔性PCB上的光电二极管沿着与光学系统的焦曲面的弯曲形状对应的空间中的弯曲表面定位。

将弯曲柔性基板相对于光学系统定位使得所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于焦曲面上的相应的三维位置(方框430)的示例可以包括将夹紧件与保持在其间的柔性PCB安装在壳体中的一个位置处以及将光学组件安装在壳体中的另一位置处。当被安装在这些位置时，柔性PCB可以被定位在由光学系统限定的弯曲的焦曲面处。在一些示例中，壳体可以是LIDAR平台的部分。在一些示例中，光学系统可以包括透镜，诸如具有非球面和环曲面的透镜。

所描述的将雪崩光电二极管安装在柔性PCB上意在作为方法400的非限制性示例实施方式。例如，雪崩光电二极管是可被使用的光电探测器的类型的具体示例。使用的光电探测器可以包括光电晶体管、雪崩光电晶体管、光电二极管、光伏电池、光敏电阻器、热电检测器、CMOS有源像素传感器、CCD元件或为本领域技术人员熟悉的任何其它光电探测器。此外，安装在柔性基板上的光电探测器可以包括许多类型的光电探测器。光电探测器可以配置为检测在电磁光谱的可见、紫外和/或红外部分中的光的波长。在一些示例中，滤波器可以放置在光电探测器上以便限制到达光电探测器的波长。

此外，柔性基板可以是柔性PCB，或可以由可以是或可以不是全部或部分地导电的任何柔性材料制成。作为用于示例实施方式的芯片焊接的替代，光电探测器在柔性基板上的安装可以包括使用粘合剂或为本领域技术人员熟悉的其它安装方法。此外，光电探测器到检测系统的电连接可以包括分离的配线、微带线或为本领域技术人员熟悉的其它方法，其可以独立于柔性基板或被建立到柔性基板上。

将柔性基板夹在两个弯曲的夹紧件之间仅是方法400的一个可能的实施方式。例如，刚性的机械部件可以具有与弯曲的焦曲面的弯曲形状对应的弯曲表面。粘合剂可以用来将柔性基板固定到刚性的部件，使得安装在柔性基板上的光电探测器的位置与焦曲面的弯曲形状基本上一致。另一个非限制性示例可以使用具有弯曲槽的机械加工部件，该弯曲槽的弯曲与弯曲的焦曲面的弯曲形状相匹配。安装有光电探测器的柔性基板可以被插入弯曲槽中，使得光电探测器位于对应于弯曲的焦曲面的弯曲表面上。备选地，可以采用用于将柔性基板弯曲为指定形状并保持这种弯曲的为本领域技术人员知晓的任何方法，以如所要求地影响将基板弯曲成光学系统的弯曲的焦曲面的形状。

类似地，使用夹紧件以沿平行于光电探测器的行的方向弯曲柔性基板意在作为弯曲基板以与弯曲的焦曲面的形状一致的非限制性示例。基板可以在垂直于光电探测器的行的方向上弯曲或它可以在两个方向上被弯曲。此外，基板可以相对于柔性基板上的光电探测器的布置而在任何方向或多个方向上被弯曲，使得光电探测器的位置对应于光学系统的焦曲面的弯曲形状。

如果夹紧件用来使柔性基板弯曲，则它们可以如示例实施方式中描述的(即，通过螺栓)那样附接到彼此或者它们可以通过其它方法附接。例如，夹紧件可以通过夹子、焊接、粘合剂、磁体或磁铁、水压或气压、或为本领域技术人员熟悉的其它附接方法中的任一个来附接。

注意，图4所示的示例实施方式400中的步骤的次序旨在仅用于说明的目的，而不限制所要求的方法的可能的实施例。所述步骤可以以任何次序进行或所述步骤可以同时发生。

虽然各个示例方面以及示例实施方式已经在这里公开，但是其它方面和实施方式将对于本领域技术人员是明显的。这里公开的各个示例方面和示例实施方式旨在用于说明的目的，而不意在进行限制，实际的范围和精神由权利要求来指示。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

光学系统，其中所述光学系统限定具有弯曲形状的焦曲面；

柔性基板；

多个光电探测器，安装在所述柔性基板上；以及

夹具，包括至少第一夹紧件和第二夹紧件，其中所述第一夹紧件具有对应于所述焦曲面的弯曲形状的凸表面，其中所述第二夹紧件具有对应于所述弯曲的焦曲面的弯曲形状的凹表面，并且其中所述夹具配置为将所述柔性基板保持在所述第一夹紧件和所述第二夹紧件之间使得所述柔性基板与所述焦曲面的弯曲形状基本上一致并且所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于所述焦曲面上的相应位置处。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述柔性基板包括柔性印刷电路板(PCB)。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述多个光电探测器中的每个光电探测器电连接到所述柔性PCB中的至少一个相应的导电迹线。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述柔性基板包括多个对准孔，并且其中所述夹具包括延伸穿过所述多个对准孔从而相对于所述夹具定位所述柔性基板的多个合销。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述合销延伸穿过所述第一夹紧件或所述第二夹紧件中的至少一个中的对应孔。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述多个光电探测器中的每个光电探测器包括相应的雪崩光电二极管。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述多个光电探测器中的所述光电探测器被布置成多行。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述光学系统包括透镜。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述透镜具有非球面和环曲面。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述多个光电探测器中的光电探测器布置成多行，其中所述环曲面具有在平行于所述行的方向上的第一曲率以及在垂直于所述行的方向上的第二曲率。

11.一种方法，包括：

将多个光电探测器安装在平坦配置的柔性基板上，使得每个光电探测器具有在所述柔性基板上的相应的二维位置；

弯曲其上安装有所述多个光电探测器的所述柔性基板，使得弯曲的柔性基板与由光学系统限定的焦曲面的弯曲形状基本上一致；以及

相对于所述光学系统定位将所述弯曲的柔性基板，使得所述多个光电探测器中的每个光电探测器处于所述焦曲面上的相应的三维位置。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述多个光电探测器中的所述光电探测器在所述柔性基板上被布置成多行。

13.如权利要求11所述的方法，其中弯曲所述柔性基板包括在平行于所述行的方向上弯曲所述柔性基板。

14.如权利要求11所述的方法，其中弯曲所述柔性基板包括在垂直于所述行的方向上弯曲所述柔性基板。

15.如权利要求11所述的方法，其中弯曲所述柔性基板包括将所述柔性基板夹在至少第一夹紧件和第二夹紧件之间，其中所述第一夹紧件具有对应于所述焦曲面的弯曲形状的凸表面，并且其中所述第二夹紧件具有对应于所述弯曲的焦曲面的弯曲形状的凹表面。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述柔性基板具有多个对准孔，其中所述夹紧件中的至少一个具有多个对应孔，并且其中所述柔性基板通过穿过所述多个对准孔和对应孔插入多个合销而相对于所述夹紧件被定位。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述柔性基板包括柔性印刷电路板(PCB)。

18.如权利要求16所述的方法，其中将所述多个光电探测器安装在所述柔性基板上包括将所述多个光电探测器中的每个光电探测器电连接到所述柔性PCB中的至少一个相应的导电迹线。

19.如权利要求11所述的方法，其中所述光学系统包括透镜。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述透镜具有非球面和环曲面。