CN109917353B - 激光雷达的激光发射装置以及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光雷达的激光发射装置，所述激光发射装置包括：激光源，用于发出激光束，包括N极和P极；其中，所述激光发射装置还包括：热沉部件，用于对所述激光源散热，所述激光源布置在所述热沉部件上，所述激光源的P极与所述热沉部件相焊接。本发明还提供一种激光雷达，所述激光雷达包括转子，其中，所述转子的发射舱内设有所述激光发射装置。根据本发明的激光发射装置，所述激光源倒置在所述热沉部件上，通过所述热沉部件将所述激光源在工作时产生的大量热量消散，有效解决激光源发热量大且热量很难被导出等问题，从而能够避免激光源由于温度过高而损坏。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达的激光发射装置以及包括所述激光发射装置的激光雷达。
背景技术
作为智能车环境感知硬件系统的重要一环，激光雷达(LIDAR)在自动驾驶中承担了路沿检测、障碍物识别以及实时定位与绘图(SLAM)等重要任务。LIDAR系统包括激光发射系统和一个接收系统。激光器发射系统产生并发射光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。激光雷达能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。由于具有测量速度快、精度高和测距远等优点，激光雷达在智能车上得到了广泛应用。
然而，在目前的激光雷达中，还存在以下问题：首先，多个激光器直接安装在发射电路板上，激光器的N极朝向下，P极朝向上，这种结构不利于散热；其次，为了实现更高的线数和更高的角度分辨率，在水平方向增加更多列激光器来实现角度的加密和线数的增多，这将导致系统内空间利用率低，焦平面位置处特别挤，发热量又大，热量很难被导出等系列的问题；再次，目前的激光雷达中，需要先将光纤与激光器对准，然后将光纤固定在光纤夹具上，使用时需要人工进行调整，导致操作不方便，并且不利于节约成本。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种激光雷达的激光发射装置以及激光雷达，通过将激光源倒置在热沉部件上，以实现良好的散热效果。
根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达的激光发射装置，所述激光发射装置包括：激光源，用于发出激光束，包括N极和P极；其中，所述激光发射装置还包括：热沉部件，用于对所述激光源散热，所述激光源布置在所述热沉部件上，所述激光源的P极与所述热沉部件相焊接。
可选地，所述热沉部件的表面设有固定槽，所述固定槽邻近所述激光源的P极，且所述固定槽的延伸方向与所述激光源的出光方向相垂直，所述激光发射装置还包括：光纤，布置在所述热沉部件的固定槽内，所述光纤与所述激光源的P极对准，适于会聚所述激光源发出的激光束。
可选地，所述固定槽为V形槽，所述固定槽包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述光纤。
可选地，所述热沉部件为带有金属焊盘的硅基热沉部件。
可选地，所述激光源的P极通过金属焊片与所述硅基热沉部件的金属焊盘相焊接。
可选地，所述激光发射装置还包括半导体制冷器，用于对所述热沉部件进行制冷，所述热沉部件布置在所述半导体制冷器上。
可选地，所述激光发射装置还包括温度传感器，用于检测所述激光源的温度，所述温度传感器靠近所述激光源布置。
可选地，所述激光发射装置还包括发射电路板，所述发射电路板具有用于控制所述半导体制冷器的控制电路。
可选地，所述发射电路板上设有用于驱动所述激光源发出激光束的驱动电路。
可选地，所述激光发射装置还包括底盘，所述底盘上包括用于放置所述半导体制冷器的区域和用于放置所述发射电路板的区域。
可选地，所述发射电路板包括延伸部分，所述延伸部分的上侧与所述激光源的N极引线接合，所述延伸部分的下侧通过导电银浆与所述硅基热沉部件的金属焊盘电连接。
可选地，所述延伸部分采用柔性材料制成。例如，所述延伸部分采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成。
可选地，所述驱动电路包括GaN晶体管以及驱动器，所述驱动器用于驱动所述GaN晶体管，所述GaN晶体管用于驱动所述激光源发出激光束。
可选地，所述激光源为激光二极管。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光雷达，所述激光雷达包括转子，其中，所述转子的发射舱内设有根据本发明所述的激光雷达的激光发射装置。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
根据本发明的实施例，将所述激光源倒置在所述热沉部件上，通过所述热沉部件将所述激光源在工作时产生的大量热量消散，有效解决激光源发热量大且热量很难被导出等问题，从而能够避免激光源由于温度过高而损坏。
根据本发明的实施例，所述热沉部件的表面设有固定槽，所述固定槽邻近所述激光源的P极，所述光纤布置在所述热沉部件的固定槽内，所述固定槽有利于光纤的定位与对准。
根据本发明的实施例，所述固定槽为V形槽，所述固定槽包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述光纤。通过V形槽的配置，能够稳固地夹持光纤端面，保证了整个系统的稳定性。
附图说明
本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的可选实施方式更好地理解，附图中相同的标记表示相同或相似的部件，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的激光雷达的激光发射装置的结构示意图；以及
图2示出了图1中的激光雷达的激光发射装置的一部分的放大示意图，示出了发射电路板的延伸部分、激光源以及热沉部件。
具体实施方式
下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。在描述时各个部件的结构位置例如上、下、顶部、底部等方向的表述不是绝对的，而是相对的。当各个部件如图中所示布置时，这些方向表述是恰当的，但图中各个部件的位置改变时，这些方向表述也相应改变。
根据本发明的实施例，激光雷达的激光发射装置主要包括激光源、热沉部件、光纤、半导体制冷器、发射电路板以及底盘等。其中，所述激光源倒置在所述热沉部件上，光纤布置在所述热沉部件的固定槽内，热沉部件布置在半导体制冷器上，所述发射电路板与所述激光源和所述半导体制冷器电连接，所述底盘支撑所述发射电路板和所述半导体制冷器。
具体如图1中所示，根据本发明的激光雷达的激光发射装置100包括激光源10和热沉部件20。激光源10可以是边发射半导体激光器，例如激光二极管，用于发出激光束。热沉部件20用于对激光源10散热，从而稳定激光源10的工作温度。
激光源10包括N极和P极，N极朝向上，P极朝向下，P极一侧发出激光束。激光源10布置在热沉部件20上，激光源10的P极与热沉部件20相焊接。在根据本发明的实施例中，激光发射装置100可以设置多个激光源10，多个激光源10以相同或不同的间距沿着水平或垂直方向排列。为了实现更高的线数和更高的角度分辨率，激光源10的数目尽可能多。但是，随着激光源10数目的增加，产生的热量也就越多。
现有技术中，激光源是直接安装在发射电路板上，N极朝向下，P极朝向上，这种结构不利于散热；而根据本发明的实施例，将激光源10倒置在热沉部件20上，热沉部件20能够将激光源10产生的热量消散，提供良好的散热效果。
在根据本发明的一些实施例中，所述热沉部件20的表面设有固定槽21，所述固定槽21邻近所述激光源10的P极，且所述固定槽21的延伸方向与所述激光源10的出光方向相垂直。
在根据本发明的一些实施例中，所述激光发射装置100还包括光纤30，光纤30布置在所述热沉部件20的固定槽21内，所述光纤30与所述激光源10的P极对准，适于会聚所述激光源10发出的激光束。光纤30相当于一个柱面透镜，对激光源10发出的激光束进行会聚，能够压缩快轴方向发散角，压缩激光源10的出光角度，从而使得尽可能多的激光束通过主透镜。
在根据本发明的一些实施例中，所述固定槽21为V形槽，所述固定槽21包括第一侧壁211和第二侧壁212，所述第一侧壁211和所述第二侧壁212用于支撑所述光纤21。在其他的实施例中，所述固定槽21还可以具有其他的形状，例如半圆形、弧形或者这些形状的组合等。所述固定槽21有利于光纤30的定位与对准，即使遭遇振动等外力，仍然能够稳固地夹持光纤30，保证整个系统的稳定性。
在其他可能的实施例中，V形槽的尺寸被精确刻画，其尺寸可以达到微米或者亚微米量级。
在根据本发明的一些实施例中，所述热沉部件20为带有金属焊盘22的硅基热沉部件。硅基板的导热性好，且在硅基板光刻精准度高，易于开设用于固定光纤的V形槽。所述激光源10的P极通过例如金属焊片11与所述硅基热沉部件的金属焊盘22相焊接。
在根据本发明的一些实施例中，所述激光发射装置100还包括半导体制冷器40，用于对所述热沉部件20进行制冷，所述热沉部件20布置在所述半导体制冷器40上。为了增强散热效果，可以在所述热沉部件20和所述半导体制冷器40之间设置导热垫层，例如所述导热垫层采用导热硅脂制成。
半导体制冷器40的结构和作用对于本领域技术人员来说是已知的。半导体制冷器40的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收能量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放能量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。
在根据本发明的实施例中，所述激光发射装置100还包括发射电路板50，所述发射电路板50具有用于控制所述半导体制冷器40的控制电路。例如，半导体制冷器40通过导线连接到发射电路板50上的控制电路，实现半导体制冷器40和发射电路板50上的控制电路之间的电连接。
在根据本发明的实施例中，所述发射电路板50上设有用于驱动所述激光源10发出激光束的驱动电路。所述驱动电路例如包括GaN晶体管51以及驱动器52，所述驱动器52用于驱动所述GaN晶体管51，所述GaN晶体管51用于驱动所述激光源10发出激光束。
GaN晶体管51可以在高电压下工作，具有更高的性能和更低的损耗。驱动器52可以是LMG1020氮化镓(GaN)驱动器。此款单通道低侧驱动器可为要求速度的应用提供高效率、高性能的设计，适用于LIDAR、飞行时间激光驱动器、脸部识别、扩增实境和E类无线充电器等应用。
图2示出了图1中的激光雷达的激光发射装置100的一部分的放大示意图，示出了发射电路板50的一部分、激光源10以及热沉部件20。所述发射电路板50包括延伸部分53，所述延伸部分53的上侧与所述激光源10的N极引线接合，实现发射电路板50与所述激光源10的N极之间的电连接。延伸部分53的下侧通过例如导电银浆54与所述硅基热沉部件的金属焊盘22电连接，而所述硅基热沉部件的金属焊盘22通过金属焊片11与所述激光源10的P极相焊接，金属焊片11、金属焊盘22、以及导电银浆54都具有导电性，由此实现了发射电路板50与所述激光源10的P极之间的电连接。例如，金属焊片11可以是金锡焊片、铝合金钎焊片或其他金属焊片，金属焊盘22可以是镀金焊盘，铜焊盘、铝焊盘、银焊盘或其他金属焊盘。
优选地，所述延伸部分53采用柔性材料制成。例如，所述发射电路板50的延伸部分53采用聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成。将发射电路板50的延伸部分53设置成柔性部件的优点在于弯折性好，具有高度可靠性，可以避免使用过程中遭遇振动等外力时对发射电路板50造成损坏。
在根据本发明的一些实施例中，所述激光发射装置100还包括温度传感器55，用于检测所述激光源10的温度。所述温度传感器55可以是接触式温度传感器，也可以是非接触式温度传感器。在图1中所示的实施例中，所述温度传感器55布置在发射电路板50的延伸部分53的上方，并且靠近所述激光源10布置。
在根据本发明的一些实施例中，所述激光发射装置100还包括控制器(图未示)，当温度传感器55检测到激光源10的温度略高时，所述控制器能够根据激光源10的实际温度来调整半导体制冷器40的电流，从而增加半导体制冷器40的吸热。如果温度传感器55检测到激光源10的温度过高时，可能会损坏到激光源10，则控制器会通过报警单元发出报警，操作人员可以关闭激光发射装置100，对激光源10进行维修或者更换。
在根据本发明的一些实施例中，所述激光发射装置100还包括底盘60，所述底盘60上包括用于放置所述半导体制冷器40的区域和用于放置所述发射电路板50的区域。例如，发射电路板50通过多个支柱61支撑在底盘60上，这样使得底盘60和发射电路板50之间存在一定的间隙，减小了底盘60的厚度，并有利于发射电路板50的散热。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光雷达，所述激光雷达包括转子，所述转子具有相互隔离的发射腔和接收腔；所述发射腔内设有所述激光发射装置50以及出射透镜组。所述激光发射装置50用于向目标物体发射探测光；所述出射透镜组用于将接收到的所述探测光发射至探测区域。
所述接收腔内设有接收透镜组件以及激光接收装置，所述接收透镜组件用于接收所述目标物体反射的激光；所述激光接收装置包括激光传导单元、光电探测器阵列和接收电路板；所述激光传导单元用于将所述接收透镜组聚焦后的激光进行传导，例如，反射镜组，所述光电探测器阵列设于所述接收电路板上，用于接收所述激光传导单元传导过来的激光。
所述激光发射装置还包括激光发射控制模块，所述激光发射控制模块与发射电路板50连接，以控制发射电路板50上的驱动电路驱动对应的所述激光源10发光。
采用上述技术方案，本发明所述激光雷达具有如下有益效果：
根据本发明的实施例，将所述激光源倒置在所述热沉部件上，通过所述热沉部件将所述激光源在工作时产生的大量热量消散，有效解决激光源发热量大且热量很难被导出等问题，从而能够避免激光源由于温度过高而损坏。
根据本发明的实施例，所述热沉部件的表面设有固定槽，所述固定槽邻近所述激光源的P极，所述光纤布置在所述热沉部件的固定槽内，所述固定槽有利于光纤的定位与对准。
根据本发明的实施例，所述固定槽为V形槽，所述固定槽包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述光纤。通过V形槽的配置，能够稳固地夹持光纤端面，保证了整个系统的稳定性。
以上已揭示本发明的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的构思作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。
Claims (14)
1.一种激光雷达的激光发射装置，包括：
激光源，用于发出激光束，包括N极和P极；
其特征在于，所述激光发射装置还包括：
热沉部件，用于对所述激光源散热，所述激光源布置在所述热沉部件上，所述激光源的P极与所述热沉部件相焊接；所述热沉部件的表面设有固定槽，所述固定槽邻近所述激光源的P极，且所述固定槽的延伸方向与所述激光源的出光方向相垂直；
所述激光发射装置还包括：光纤，布置在所述热沉部件的固定槽内，所述光纤与所述激光源的P极对准，适于会聚所述激光源发出的激光束。
2.如权利要求1所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述固定槽为V形槽，所述固定槽包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁用于支撑所述光纤。
3.如权利要求1或2所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述热沉部件为带有金属焊盘的硅基热沉部件。
4.如权利要求3所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述激光源的P极通过金属焊片与所述硅基热沉部件的金属焊盘相焊接。
5.如权利要求4所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，还包括半导体制冷器，用于对所述热沉部件进行制冷，所述热沉部件布置在所述半导体制冷器上。
6.如权利要求1或2所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，还包括温度传感器，用于检测所述激光源的温度，所述温度传感器靠近所述激光源布置。
7.如权利要求5所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，还包括发射电路板，所述发射电路板具有用于控制所述半导体制冷器的控制电路。
8.如权利要求7所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述发射电路板上设有用于驱动所述激光源发出激光束的驱动电路。
9.如权利要求8所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，还包括底盘，所述底盘上包括用于放置所述半导体制冷器的区域和用于放置所述发射电路板的区域。
10.如权利要求7所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述发射电路板包括延伸部分，所述延伸部分的上侧与所述激光源的N极引线接合，所述延伸部分的下侧通过导电银浆与所述硅基热沉部件的金属焊盘电连接。
11.如权利要求10所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述延伸部分采用柔性材料制成。
12.如权利要求8所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述驱动电路包括GaN晶体管以及驱动器，所述驱动器用于驱动所述GaN晶体管，所述GaN晶体管用于驱动所述激光源发出激光束。
13.如权利要求1或2所述的激光雷达的激光发射装置，其特征在于，所述激光源为激光二极管。
14.一种激光雷达，包括转子，其特征在于，所述转子的发射舱内设有如权利要求1到13任一项所述的激光雷达的激光发射装置。
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