CN110736975B - 接收模组以及包括其的激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可用于激光雷达的接收模组，包括：PCB基板，所述PCB基板具有第一侧和第二侧；光电传感器阵列，包括多个光电传感器，所述光电传感器阵列设置在所述PCB基板的第一侧；和读出芯片，所述读出芯片设置在所述PCB基板的第二侧，并耦接到所述光电传感器阵列，配置成可接收并读取所述光电传感器阵列中的光电传感器的输出。

Description

接收模组以及包括其的激光雷达
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种接收模组以及包括其的激光雷达。
背景技术
激光雷达系统目前被广泛地用在无人驾驶领域，包括激光发射系统和探测接收系统，发射激光遇到目标后反射并被探测系统所接收，通过测量激光往返的时间可测量相应目标点的距离(如时间飞行法)，当对整个目标区域扫描探测后，则最终可实现三维成像。激光雷达系统在无人驾驶系统中有着重要应用，在该应用中需要激光雷达具有高成像帧频、高分辨率、远测距能力、小体积、高可靠性、低成本，传统激光雷达系统很难满足这些性能。
目前的激光雷达中，通常采用分立器件来构造探测接收系统，例如64线的激光雷达有64路APD，就需要64路TIA跨阻电路，采用分立器件需要较大的PCB板面积进行布线，考虑到雷达本身的体积要求，使用一块大的PCB并不合理，当前使用多块板通过接插件连接的方案来增加布线面积，这带来一系列技术缺陷。
以64线激光雷达为例，接插件引脚间距较小，64路APD到跨阻放大器的走线需要先汇聚到接插件上，经过接插件后再发散到接收板1和接收板2上，一方面，引脚本身电隔离度较低，另一方面，引脚对应的走线线距无法拉大，平行走线长度很长，导致较低的走线隔离度，会带来雷达不同通道间的串扰问题。
另外，64路APD读出电路的走线不尽相同，导致对于不同通道在PCB板上的寄生参数不同，从而影响各通道的响应特性，导致64个通道具有较高的测远不一致性。
同时，雪崩光电二极管APD的增益对温度很敏感，接收板上的64个APD位于板上较为分散的位置，在雷达工作时，这些位置的温度并不相等，存在一定梯度，良好的散热或均热结构能够有效降低这样的梯度，而4块PCB板组成的接收模组占用空间很大，很难安装散热或均热结构，不可避免地存在较高的增益不一致性。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
本发明提供一种可用于激光雷达的接收模组，包括：
PCB基板，所述PCB基板具有第一侧和第二侧；
光电传感器阵列，包括多个光电传感器，所述光电传感器阵列设置在所述PCB基板的第一侧；和
读出芯片，所述读出芯片设置在所述PCB基板的第二侧，配置成可接收并读取所述光电传感器阵列中的光电传感器的输出。
根据本发明的一个方面，所述的接收模组还包括第二级放大器，所述第二级放大器设置在所述PCB基板的第二侧上，并且与所述读出芯片耦接，配置成可对所述读出芯片的输出进行放大，
所述读出芯片与光电传感器阵列之间的引线穿过所述PCB基板。
根据本发明的一个方面，所述读出芯片包括封装的N路跨阻放大电路和N选1的开关，其中每个跨阻放大电路的输入端耦接到其中一个光电传感器，输出端耦接到所述N选1开关，所述N选1开关配置成可选通并输出其中一个跨阻放大电路的输出。
根据本发明的一个方面，所述N选1开关配置成可将其中一个跨阻放大电路的输出耦接到所述第二级放大器的输入端。
根据本发明的一个方面，所述接收模组包括多个所述读出芯片，所述光电传感器为APD。
根据本发明的一个方面，所述光电传感器阵列共包括64个光电传感器，所述接收模组包括4个读出芯片，每个读出芯片包括16路跨阻放大电路和16选1的开关；或者，所述光电传感器阵列共包括128个光电传感器，所述接收模组包括8个读出芯片，每个读出芯片包括16路跨阻放大电路和16选1的开关。
根据本发明的一个方面，所述的接收模组还包括支架，所述PCB基板支撑在所述支架上。
根据本发明的一个方面，所述的接收模组还包括散热片，所述散热片包括导热部和散热部，其中所述导热部配置成可接收所述光电传感器阵列和/或所述读出芯片的热量，所述散热部配置成可消散所述热量。
根据本发明的一个方面，所述散热部包括多个散热鳍片。
根据本发明的一个方面，所述光电传感器阵列包括陶瓷管壳、滤光片和光阑，其中所述光电传感器贴附在所述陶瓷管壳上，所述滤光片设置在所述光电传感器上，以过滤杂散光，所述光阑设置在所述滤光片上以限制入射到所述光电传感器上的光束。
根据本发明的一个方面，所述读出芯片包括DAC电压调节器，所述DAC电压调节器的输出端耦接到所述光电传感器，从而可调节所述光电传感器提供偏置电压。
本发明还涉及一种激光雷达，包括如上所述的接收模组。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达包括一个所述接收模组。
通过本发明的实施例的技术方案，读出芯片各通道间的增益和带宽一致性可以做到远好于分立器件，这使得接收端有很好的测远一致性；减少的电路板的位置得到了较大的空间，可以加装散热和均热结构，降低多个APD的温度梯度；APD阵列能够有更好的使用价值，可以使正面的APD阵列和背面的自研芯片输入引脚的位置一一对应，走线无交叉且极致短，此外，使用APD阵列可以大大简化装调过程。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的接收模组；
图2示出了根据本发明一个优选实施例的读出芯片的示意图；
图3A示出了根据本发明一个优选实施例的接收模组；
图3B示出了PCB基板、支架以及散热部的装配视图；
图4示出了根据本发明一个优选实施例的光电传感器阵列的示意图；
图5A和5B示出了根据本发明一个优选实施例的光电传感器阵列以及读出芯片的示意图
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的接收模组10，例如可用于激光雷达中，用于接收来自激光雷达外部障碍物反射的回波光束。下面参考图1详细描述。如图1所示，接收模组10包括PCB基板11、光电传感器阵列12以及读出芯片13。其中，PCB基板11用作机械支撑基底以及电路基底，其上可布置接收模组10的其他光电部件。如图1中所示，PCB基板11为薄板状，具有第一侧和第二侧，图1中所示的为其左侧和右侧。接收模组10可包括一个或多个设置在所述PCB基板11的第一侧上的光电传感器阵列12，每个光电传感器阵列12中包括多个光电传感器。光电传感器例如为光电二极管，优选是雪崩式光电二极管APD或者SiPM。当其接收到入射的光束或者光子时，会根据入射的光束强度或者光子的数目，产生相对应的电信号，电信号经过采集、放大、滤波之后，可用于后续的数据处理，生成激光雷达的点云数据。图1中示出了PCB基板11上设置有四个光电传感器阵列12，本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，光电传感器阵列12的数目可以根据需要而任意的决定，或者根据光电传感器12的排布位置和方式来决定，例如在图5A中示出了在PCB基板11上设置有8个光电传感器阵列12，每个光电传感器阵列中包括8个光电传感器。另外，每个光电传感器阵列12中所包括的光电传感器的数目，也可以根据需要来选择。例如，当应用于64线的激光雷达时，可以选择设置四组光电传感器阵列，每个光电传感器阵列包括16个光电传感器。这些都在本发明的保护范围内。
读出芯片13设置在所述PCB基板11的第二侧上，与所述光电传感器阵列12相反，并耦接到所述光电传感器阵列12，配置成可接收并读取所述光电传感器阵列12中的光电传感器的输出。如图1所述，光电传感器阵列12与读出芯片13分别设置在PCB基板11的相反的两侧上，因此根据本发明的一个优选实施例，可以使得连接所述读出芯片13与光电传感器阵列12之间的引线穿过所述PCB基板11内部，可以减少或者避免在PCB11的外部走线。减小平行走线的长度，提高走线隔离度，降低激光雷达的不同通道之间的串扰问题。
图2示出了根据本发明一个优选实施例的读出芯片13的示意图。读出芯片13例如是多通道的读出芯片，设置在所述PCB基板的第二侧上。如图2所示，所述读出芯片13包括封装的N路跨阻放大电路(TIA1，TIA2，…，TIAN)和N选1的开关。其中每个跨阻放大电路的输入端耦接到其中一个光电传感器，例如APD，从而可以接收光电传感器的电信号，并进行信号放大和输出。每个跨阻放大电路的输出端耦接到所述N选1开关，所述N选1开关配置成可选通并输出其中一个跨阻放大电路的输出。
根据本发明的一个优选实施例，所述读出芯片13可以与所述光电传感器阵列相对应，从而使得读出芯片13的数目与光电传感器阵列的数目相同，例如均为4、3、2、或1。举例来说，对于64线激光雷达，可以包括4个光电传感器阵列12，每个光电传感器阵列12中包括16个APD。与此相对应的，接收模组10包括4个读出芯片13，每个读出芯片13中包括16个跨阻放大电路和一个16选1的开关。因此，一个读出芯片相当于16路的分立TIA跨阻电路和16选1的模拟开关，只需使用4片读出芯片，优选的加上第二级放大电路即可实现与原来接收系统相同的功能，这使得接收端仅需使用一块与原来面积相同的PC板即可完成走线。可替换的，读出芯片13的数目与光电传感器阵列的数目也可以不相同。图5A和5B示出了这样一个实施例。如图5A所示，PCB基板11的第一侧上设置有8个光电传感器阵列12；如图5B所示，PCB基板11的第二侧上设置有四个读出芯片13，每个读出芯片13与一个或多个光电传感器阵列12耦接并读取其输出。另外优选的，读出芯片13与光电传感器阵列12的连接关系可以根据其位置分布而决定，以尽量减小走线长度。例如图5A中，包括8个光电传感器阵列12，分别为12-1、12-2、…、12-8，其中，光电传感器12-2、12-3、12-4位置相互靠近，光电传感器12-5、12-6、12-7位置相互靠近，其他两个光电传感器12-1和12-8的位置相互独立。与此相对应的，在PCB基板11第二侧上设置的四个读出芯片13，其位置分别与光电传感器的位置相对应。例如读出芯片13-1的位置大致对应于光电传感器12-1，读出芯片13-2的位置大致对应于光电传感器12-2、12-3、12-4，读出芯片13-3的位置大致对应于光电传感器12-5、12-6、12-7，读出芯片13-4的位置大致对应于光电传感器12-8。通过这样的设置，能够进一步减小连接所述读出芯片13与光电传感器阵列12之间的引线的长度，提高走线隔离度，降低激光雷达的不同通道之间的串扰问题。
或者对于128线激光雷达来说，可以包括8个光电传感器阵列，共128个光电传感器，所述接收模组包括8个读出芯片，每个读出芯片包括16路跨阻放大电路和16选1的开关。
另外，根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，所述的接收模组1还包括第二级放大器16，所述第二级放大器16设置在所述PCB基板的第二侧上，与所述读出芯片13位于同一侧上。第二级放大器16与所述读出芯片13耦接，从而对所述读出芯片13输出的信号进行二次放大。
结合图1和图2的实施例，所述N选1开关配置成可将其中一个跨阻放大电路的输出耦接到所述第二级放大器的输入端。所述N选1开关例如具有N个输入通道，其选通选通其中一个输入通道，将该输入通道的输入进行输出。
图3A示出了根据本发明一个优选实施例的接收模组10，其中还包括支架14，所述PCB基板11支撑在所述支架14上。支架14通常可由强度更高的金属制成，用于安装固定接收模组，例如固定在激光雷达的基座上。另外，图3A中的接收模组10还包括散热片15，所述散热片15包括导热部(或吸热部)151和散热部152，其中所述导热部151由导热系数较高的材料制成，例如与光电传感器阵列12和/或读出芯片13相接触或者靠近，从而可接收所述光电传感器阵列和/或所述读出芯片的热量。所吸收的热量传导到散热部152，通过散热部152进行热量的散发。优选的，可以在所述散热部152附近布置一风扇或者其他的可促进空气流动的装置，从而有助于散热。如图2所示，散热部152包括多个散热鳍片。后者可替换的，散热部152包括螺旋排列的散热壁，以增大散热面积，强化散热效果。
图3B示出了PCB基板11、支架14以及散热部15装配视图。
光电传感器阵列12中可以包括多个分立的光电传感器。但优选的，光电传感器阵列12中的多个光电传感器进行适当的分组和封装，下面参考图4、图5A和图5B描述。
图4示出了根据本发明一个优选实施例的光电传感器阵列12的示意图。如图4所示，除了多个光电传感器，例如APD裸片，光电传感器阵列12还包括陶瓷管壳122和滤光片123，其中所述APD裸片贴附在所述陶瓷管壳122上，所述滤光片123设置在所述APD裸片上，以过滤杂散光。从而可形成一个封装好的APD线阵，可供直接安装在激光雷达的接收模组10上。另外可选的，所述光电传感器阵列中还可包括光阑结构，设置在所述光电传感器的光路上游，例如设置在所述滤光片123上，同样可用于阻止或者减少杂散光入射到所述光电传感器上，以降低噪声。
图4中示出了多个APD排列封装成APD线阵。本领域技术人员容易理解，本发明的保护范围不限于此，也可以是单粒APD封装，或者以其他的二维图案进行排列封装，另外也可以采用单个或多个APD阵列在PCB基板上进一步排列组合出线阵或面阵。这些都在本发明的保护范围内。例如图5A示出了根据本发明一个实施例的光电传感器阵列12的示意图。其中示意性示出了光电传感器阵列包括8个APD，其中共8个光电传感器阵列，每个阵列例如是图4所示的封装方式。当然，图5A所示的数目和排布方式仅为示意性的，APD的数量例如可以是16、32、64、128，每组封装所包括的APD的数目不限于8个，可以根据实际需要来进行相应的调整。
另外，根据本发明的一个方面，所述读出芯片包括DAC电压调节器，所述DAC电压调节器的输出端耦接到所述光电传感器，从而可调节所述光电传感器提供偏置电压。优选的，所述DAC电压调节器的数目对应于所述光电传感器的数目，从而可以对每个光电传感器单独地调节偏置电压，从而控制器其增益系数。
本发明的一个实施例还涉及一种激光雷达，包括如上所述的接收模组10。
另外，根据本发明的一个实施例，在激光雷达中，只包括一个所述接收模组。通过这样的方式，可以将全部的光电传感器以及读出芯片集成到一个PCB基板上，使得激光雷达的各个通道具有较高的测远一致性。另外，光电传感器位于同一块PCB基板上，温度较为均匀，因而能够降低相互之间的温度梯度，使得各个光电传感器的增益尽可能保持一致。
本发明的实施例具有多功能、模块化的优点，综合考虑并优化了一系列功能，例如包括封装可靠性、体积、成本、电磁兼容性、滤光、通道间光串扰、装调、散热等问题。另外，本发明的方案可适应多种扫描式激光雷达的系统方案，例如：机械扫描式、旋转镜扫描式、振镜扫描式。
另外，本发明的实施例的方案具有易生产、易装调的特点。诸如APD的光电传感器的精确位置排布可以通过机器实现自动化；APD面阵可以整体装调，降低装调难度和成本。通过滤光片以及光阑，本发明的实施例中具有高信噪比和低串扰的特点，能够抑制串扰和杂散光，同时，由于光电传感器阵列和读出芯片设置在同一块PCB基板的两侧上，可以穿过PCB基板来布置引线，引线较短，因此具有低寄生电容，带来高带宽和低电路噪声。
同时，通过采用金属结构来制造支架、光阑和散热片等结构，可以对敏感的前端探测器和电路形成屏蔽，保护其不受干扰，因此具有较强的电磁兼容性。
本发明实施例的优点包括但不限于：
可以减少或者不必使用接插件。一方面，不存在引脚间距造成的电隔离度限制，同时，读出芯片充分考虑了APD的排布进行了芯片引脚排布的优化，相邻通道间的芯片引脚之间有直流引脚进行隔离，这也可以增大相邻走线的间距，另一方面，APD到跨阻放大器的走线可以直接从PCB板的正面走到背面，中间不需要绕行，大大缩短了平行走线长度，通道间的串扰问题可以明显改善。
读出芯片各通道间的增益和带宽一致性可以做到远好于分立器件，这使得接收端有很好的测远一致性。
减少的电路板的位置得到了较大的空间，可以加装散热和均热结构，降低多个APD的温度梯度；
读出芯片的引入，使得APD阵列能够有更好的使用价值，可以使正面的APD阵列和背面的自研芯片输入引脚的位置一一对应，走线无交叉且极致短，此外，使用APD阵列可以大大简化装调过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种可用于激光雷达的接收模组，包括：
PCB基板，所述PCB基板具有第一侧和第二侧；
光电传感器阵列，包括多个光电传感器，所述光电传感器阵列设置在所述PCB基板的第一侧；和
读出芯片，所述读出芯片设置在所述PCB基板的第二侧，配置成可接收并读取所述光电传感器阵列中的光电传感器的输出，所述读出芯片与所述光电传感器阵列之间的引线穿过所述PCB基板。
2.根据权利要求1所述的接收模组，还包括第二级放大器，所述第二级放大器设置在所述PCB基板的第二侧上，并且与所述读出芯片耦接，配置成可对所述读出芯片的输出进行放大。
3.根据权利要求2所述的接收模组，其中所述读出芯片包括封装的N路跨阻放大电路和N选1的开关，其中每个跨阻放大电路的输入端耦接到其中一个光电传感器，输出端耦接到所述N选1开关，所述N选1开关配置成可选通并输出其中一个跨阻放大电路的输出。
4.根据权利要求3所述的接收模组，其中所述N选1开关配置成可将其中一个跨阻放大电路的输出耦接到所述第二级放大器的输入端。
5.根据权利要求3或4所述的接收模组，其中所述接收模组包括多个所述读出芯片，所述光电传感器为APD。
6.根据权利要求5所述的接收模组，其中所述光电传感器阵列共包括64个光电传感器，所述接收模组包括4个读出芯片，每个读出芯片包括16路跨阻放大电路和16选1的开关；
或者，所述光电传感器阵列共包括128个光电传感器，所述接收模组包括8个读出芯片，每个读出芯片包括16路跨阻放大电路和16选1的开关。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的接收模组，还包括支架，所述PCB基板支撑在所述支架上。
8.根据权利要求7所述的接收模组，还包括散热片，所述散热片包括导热部和散热部，其中所述导热部配置成可接收所述光电传感器阵列和/或所述读出芯片的热量，所述散热部配置成可消散所述热量。
9.根据权利要求8所述的接收模组，其中所述散热部包括多个散热鳍片。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的接收模组，其中所述光电传感器阵列包括陶瓷管壳、滤光片和光阑，其中所述光电传感器贴附在所述陶瓷管壳上，所述滤光片设置在所述光电传感器上，以过滤杂散光，所述光阑设置在所述滤光片上，以限制入射到所述光电传感器的光束。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的接收模组，其中所述读出芯片包括DAC电压调节器，所述DAC电压调节器的输出端耦接到所述光电传感器输出端，从而可调节所述光电传感器两端的偏置电压。
12.一种激光雷达，包括如权利要求1-11中任一项所述的接收模组。
13.根据权利要求12所述的激光雷达，其中所述激光雷达包括一个所述接收模组。
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