CN110412544A - 激光发射系统以及包括所述激光发射系统的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光发射系统以及包括所述激光发射系统的激光雷达。所述激光发射系统包括：透镜，其焦平面为弧面；二维垂直腔面发射激光器阵列，其设置于至少一块电路板上，用于朝着所述透镜发射激光束；其中，所述二维垂直腔面发射激光器阵列沿着所述透镜的所述焦平面布置。所述激光雷达包括：激光发射系统，用于发射激光束；以及激光接收系统，用于接收经外界反射的激光束。根据本发明的激光发射系统，二维垂直腔面发射激光器阵列发射的激光束对准所述透镜的中心，使得发射的激光全部落入所述透镜的区域以内，从而避免了激光能量的浪费。

Description

激光发射系统以及包括所述激光发射系统的激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光发射系统以及包括所述激光发射系统的激光雷达。

背景技术

激光雷达(LIDAR)系统包括激光发射系统和激光接收系统。其中，激光发射系统的激光器发射光脉冲，打在物体上被反射回来，最终被激光接收系统的探测器所探测接收。激光雷达系统能准确地测量光脉冲从发射到被接收的传播时间。因为光脉冲以光速传播，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360°旋转，可以准确的获取高精度的物理空间环境信息，测距精度可达厘米级。

目前在激光雷达的激光发射系统中，主要使用的是边发射激光器(Edge EmittingLaser,EEL)。EEL沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射激光，难以制作二维集成器件。图1显示一个有64个EEL的光源整列。使用EEL的方案，EEL沿电路板边缘排列，考虑到单个激光器的尺寸及间距限制，需要至少4块电路板11a-11d，才能实现一个16*4的激光器发射阵列10。而垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)由于其发射激光方向(出光方向垂直于衬底表面)及成本的优势，可用于激光发射系统中，实现面阵的激光器排列。如图2所示，使用VCSEL方案实现16*4的激光器发射阵列20，仅使用1块电路板21。

然而，无论是图1或者是图2的排列，都存在激光的“指心问题”。如图3所示，由于激光器发射阵列20的每个激光器发射的激光束有一定的发散角θ₁，透镜22若能够接收发射阵列20的所有能量，则需要透镜22在焦距不变的情况下具有较大的尺寸，增大了透镜光学设计和加工的难度；而在透镜22尺寸一定的情况下，靠近电路板21边缘的激光器发出的激光有一部分落到了透镜22的区域以外，由此带来一定程度的能量浪费，影响激光雷达测距性能。

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发射系统以及包括所述激光发射系统的激光雷达。

根据本发明的一个方面，提供一种激光发射系统，所述激光发射系统包括：透镜，其焦平面为弧面；二维垂直腔面发射激光器阵列，其设置于至少一块电路板上，用于朝着所述透镜发射激光束；其中，所述二维垂直腔面发射激光器阵列沿着所述透镜的所述焦平面布置。

可选地，所述至少一块电路板为柔性电路板，所述柔性电路板弯曲成具有与所述透镜的所述焦平面相同的曲率的弧面。

可选地，所述激光发射系统还包括：用于支撑所述柔性电路板的基座。

可选地，所述基座具有用于容纳所述柔性电路板的凹槽，所述凹槽具有与所述柔性电路板的弧面相配合的底面。

可选地，所述基座采用高热导率材料制成。

可选地，所述焦平面为球面。

可选地，所述激光发射系统还包括：控温装置，用于对所述电路板进行温度控制。

可选地，所述控温装置与所述电路板紧密贴合。

可选地，所述激光发射系统还包括：光束整形单元，位于所述透镜和所述二维垂直腔面发射激光器阵列之间。

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：前面所述的的激光发射系统，用于发射激光束；以及激光接收系统，用于接收经外界反射的激光束。

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的激光发射系统，二维垂直腔面发射激光器阵列沿着所述透镜的弧面焦平面布置，发射的激光束对准所述透镜的中心，使得发射的激光全部落入所述透镜的区域以内，从而避免了激光能量的浪费，改善激光雷达测距性能。

进一步地，通过提供采用高热导率材料制成的基座来支撑所述电路板，便于将电路板上安装的激光器产生的大量热量消散，有效解决激光器发热量大且热量很难被导出等问题，从而能够避免激光器由于温度过高而损坏。

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示出了现有技术中使用边发射激光器作为激光发射系统光源的示意图；

图2示出了现有技术中使用垂直腔面发射激光器作为激光发射系统光源的示意图；

图3示出了现有技术中使用垂直腔面发射激光器的激光发射系统的示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的激光发射系统的示意图(透镜未示出)；

图5示出了图4中的激光发射系统发射激光束的示意图；

图6示出了包括光束整形单元的激光发射系统的示意图。

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。

如背景技术中所述，现有技术使用了边发射激光器，在电路板规模上会远大于使用VCSEL的方案，同时在激光发射系统装调上也会更加繁琐，多块电路板的散热需要更复杂的散热系统来解决。

而目前，对于VCSEL，尚没有解决指心问题的有效方案。另外，由于VCSEL方案是将很多激光器密集地排列在同一块电路板上，产生的热量集中，激光发射电路板的控温散热也是亟待解决的问题。

图4示出了根据本发明的一个实施例的激光发射系统的示意图(透镜未示出)，示出了激光发射系统的基座以及电路板；图5示出了图4中的激光发射系统发射激光束的示意图，示出了激光发射系统的基座、电路板以及透镜。

如图4到图5中所示，根据本发明的实施例的激光发射系统100包括透镜101以及二维垂直腔面发射激光器阵列102。二维垂直腔面发射激光器阵列102设置于透镜101的焦平面，二维垂直腔面发射激光器阵列102例如包括64个垂直腔面发射激光器，排布为4列，每列包括16个垂直腔面发射激光器。每列的激光器与其他列的激光器高度相交错，即64个激光器在透镜101的焦平面具有不同的高度，通过交错分布的设计有利于提高激光雷达的垂直角分辨率。二维垂直腔面发射激光器阵列102设置于至少一块电路板上，用于朝着所述透镜101发射激光束。其中，所述透镜101的焦平面为弧面，所述二维垂直腔面发射激光器阵列102沿着所述透镜101的所述焦平面布置。

具体地，二维垂直腔面发射激光器阵列102设置于同一块电路板上，这块电路板可以是一块单独的电路板，也可以是由两块或两块以上的电路板的组合。

在根据本发明的一个实施例中，所述激光发射系统100包括一块柔性电路板103，所述二维垂直腔面发射激光器阵列102设置于所述柔性电路板103上。所述柔性电路板103弯曲成具有与所述透镜101的所述焦平面相同的曲率的弧面。所述柔性电路板103可以是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性的可挠性印刷电路板，具有重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。

根据本发明的一个实施例，所述透镜101的焦平面为球面。

根据本发明的一个实施例，所述激光发射系统100还包括用于支撑所述柔性电路板103的基座104。所述柔性电路板103可以通过例如螺钉等机械固定件安装到所述基座104上。所述基座104具有用于容纳所述柔性电路板103的凹槽105，所述凹槽105具有与所述柔性电路板203弯曲形成的弧面相配合的底面。所述柔性电路板102弯折成一定的弧度，从而紧密地贴在基座104上。

在需要良好散热的场合，所述基座104可使用高热导率材料制成，以便于将所述柔性电路板103上的二维垂直腔面发射激光器阵列102产生的热量迅速导出。所述高热导率材料可以是铜或者铜合金，例如铜和锌所组成的合金，或其它合适的高热导率材料。

在需要控温的场合，所述基座104中可以同时集成有控温装置，用于对所述电路板进行温度控制。所述控温装置例如可以是半导体制冷器(TEC)，其结构和作用对于本领域技术人员来说是已知的。

所述半导体制冷器的工作原理是：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。在使用过程中，可以调整通过半导体制冷器的电流的大小来进行温度控制。

根据本发明的一个实施例，所述控温装置布置在所述基座104内。在其它的实施例中，所述基座104的凹槽105的底面设有凹槽(图未示)，用于放置所述控温装置，使得控温装置与所述电路板紧密贴合。这样设置对电路板温度的控制会更加容易，控温效果最好，这也是使用比较薄、背面完全平坦的柔性电路板在散热方面的优势。

根据本发明的一个实施例，所述控温装置可以与所述柔性电路板连接，通过所述柔性电路板上的电路对其控温，也可以连接到外部电路对其控温。

在图4中所示的实施例中，所述垂直腔面发射激光器阵列102包括4列，每列包括16个垂直腔面发射激光器。在其它可选的实施例中，所述垂直腔面发射激光器阵列102可以具有其它的排列布置，本领域技术人员可以根据具体的使用场合进行适当地改变。

在根据本发明的实施例中，由于所述柔性电路板103弯曲成具有一定弧度的弧面，所述柔性电路板103上的二维垂直腔面发射激光器阵列102也会跟随柔性电路板103的弧度，形成具有一定弧度排列的结构，这样每一个激光器出射激光的角度就会被调节，从而解决了激光器发射的激光束未指向透镜中心的问题。

如图5中所示，所述垂直腔面发射激光器阵列102的每个激光器发射的激光束具有发散角θ。可以看到，柔性电路板103弯曲成围绕透镜中心的圆弧形，使得每个激光器的角度被柔性电路板103调节，靠近电路板上边沿的激光器发出的垂直于电路板表面的激光束就会朝下方发射，光束中心指向透镜101的中心；靠近电路板下边沿的激光器发出的垂直于电路板表面的激光束就会朝上方发射，光束中心指向透镜101的中心；对于其它位置的激光器也同样地调节出光方向，它们发出的激光束的中心均指向透镜的中心，这样就保证了即使激光器发射的激光存在一定的发散角θ，它们发出的激光能量均能全部落入透镜101的范围内，从而避免了发射激光能量的浪费，提高了出射激光能量，从而提高了测远性能。

根据本发明的一个实施例，所述激光发射系统还包括光束整形单元106，如图6所示。所述光束整形单元106位于所述透镜101和所述二维垂直腔面发射激光器阵列102之间。所述光束整形单元106能够减小所述垂直腔面发射激光器阵列102发射的激光束的发散角后再入射至透镜101(图6中实线为经光束整形单元106的光束，虚线为未经光束整形单元106的光束)，所述光束整形单元106例如是光纤、柱镜、D透镜或非球面镜中的一个或多个，从图6中可以看出所述透镜101以较小的尺寸即可接收到垂直腔面发射激光器阵列102的全部光束，即所述光束整形单元的设置有利于进一步减小透镜101的尺寸及加工难度。

根据本发明的另一个方面，还提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：所述激光发射系统100，用于发射激光束；以及激光接收系统，用于接收经外界反射的激光束。其中，所述激光发射系统100上的激光器发射激光束，所述激光束经外界例如障碍物反射，所述激光接收系统上设有多个探测器，用于探测接收被反射的激光束。

根据本发明的实施例的激光发射系统，二维垂直腔面发射激光器阵列沿着所述透镜的所述焦平面布置，发射的激光束对准所述透镜的中心，使得发射的激光全部落入所述透镜的区域以内，从而避免了激光能量的浪费。

进一步地，通过提供采用高热导率材料制成的基座来支撑所述电路板，便于将电路板上安装的激光器产生的大量热量消散，有效解决激光器发热量大且热量很难被导出等问题，从而能够避免激光器由于温度过高而损坏。

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 (10)

1.一种激光发射系统，其特征在于，所述激光发射系统包括：

透镜，其焦平面为弧面；

二维垂直腔面发射激光器阵列，其设置于至少一块电路板上，用于朝着所述透镜发射激光束；

其中，所述二维垂直腔面发射激光器阵列沿着所述透镜的所述焦平面布置。

2.如权利要求1所述的激光发射系统，其特征在于，所述至少一块电路板为柔性电路板，所述柔性电路板弯曲成具有与所述透镜的所述焦平面相同的曲率的弧面。

3.如权利要求2所述的激光发射系统，其特征在于，所述激光发射系统还包括：用于支撑所述柔性电路板的基座。

4.如权利要求3所述的激光发射系统，其特征在于，所述基座具有用于容纳所述柔性电路板的凹槽，所述凹槽具有与所述柔性电路板的弧面相配合的底面。

5.如权利要求3所述的激光发射系统，其特征在于，所述基座采用高热导率材料制成。

6.如权利要求1到5任一项所述的激光发射系统，其特征在于，所述焦平面为球面。

7.如权利要求1到5任一项所述的激光发射系统，其特征在于，所述激光发射系统还包括：控温装置，用于对所述电路板进行温度控制。

8.如权利要求7所述的激光发射系统，其特征在于，所述控温装置与所述电路板紧密贴合。

9.如权利要求1到5任一项所述的激光发射系统，其特征在于，所述激光发射系统还包括：光束整形单元，位于所述透镜和所述二维垂直腔面发射激光器阵列之间。

10.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：

如权利要求1到9任一项所述的激光发射系统，用于发射激光束；以及

激光接收系统，用于接收经外界反射的激光束。