CN113614563A - 用于激光雷达系统中的光电部件的安装配置 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达系统，包括：第一光学透镜，以及沿着第一光学透镜的光轴与第一光学透镜间隔开的一个或多个第一光电封装。每个相应的第一光电封装包括定位在相应的第一光电封装上的第一多个光电部件，使得每个相应的光电部件的表面基本上位于第一最佳聚焦表面上。激光雷达系统还包括第二光学透镜，以及沿着第二光学透镜的光轴与第二光学透镜间隔开的一个或多个第二光电封装。每个相应的第二光电封装包括定位在相应的第二光电封装上的第二多个光电部件，使得每个相应的光电部件的表面基本上位于第二最佳聚焦表面上。

Description

用于激光雷达系统中的光电部件的安装配置
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月25日提交的题为“用于激光雷达系统中的光电部件的安装配置”的第62/823,406号美国临时申请的利益和优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
背景技术
三维传感器可以应用于自动车辆、无人机、机器人、安全应用等。扫描激光雷达(LiDAR)传感器可以以负担得起的成本实现适合于这种应用的高角度分辨率。激光雷达传感器可以包括光电部件，例如用于发射激光束的光源和用于探测反射的激光束的探测器。需要用于激光雷达传感器中的光电部件的改进的安装配置。
发明内容
根据一些实施例，激光雷达系统包括第一光学透镜，第一光学透镜以第一光轴、第一透镜中心和第一最佳聚焦表面为特征，以及包括沿着第一光轴与第一光学透镜间隔开的一个或多个第一光电封装。每个相应的第一光电封装包括定位在相应的第一光电封装上的第一多个光电部件，使得第一多个光电部件中的每个相应的光电部件的表面基本上位于第一最佳聚焦表面上。激光雷达系统还包括第二光学透镜，第二光学透镜以第二光轴、第二透镜中心和第二最佳聚焦表面为特征，以及还包括沿着第二光轴与第二光学透镜间隔开的一个或多个第二光电封装。每个相应的第二光电封装包括定位在相应的第二光电封装上的第二多个光电部件，使得第二多个光电部件中的每个相应的光电部件的表面基本上位于第二最佳聚焦表面上。
根据一些实施例，提供了用于激光雷达系统的光电封装。激光雷达系统包括光学透镜，该光学透镜以光轴、透镜中心和最佳聚焦表面为特征。光电封装包括沿着光轴与光学透镜间隔开的衬底和定位在衬底上的多个光电部件，使得每个相应的光电部件的表面基本上位于光学透镜的最佳聚焦表面上。
根据一些实施例，提供了用于激光雷达系统的光电封装。激光雷达系统包括光学透镜，该光学透镜以光轴、透镜中心和最佳聚焦表面为特征。光电封装包括沿着光轴与光学透镜间隔开的衬底和定位在衬底上的多个光电部件，使得每个相应的光电部件基本上朝向透镜中心定向。
附图说明
图1示意性地示出了根据一些实施例的用于三维成像的激光雷达传感器。
图2示意性地示出了根据一些实施例的示例性激光雷达系统。
图3示意性地示出了根据一些实施例的扫描激光雷达系统。
图4示出了根据一些实施例的可以考虑透镜场曲用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图5示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图6示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图7示出了根据一些进一步实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图8示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图9示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图10示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图11示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图12示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。
图13示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性俯视图。
图14示出了如图13中所示的具有安装在其上的多个光源和多个探测器的平台的示意性透视图。
图15A示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的光电封装的截面图。
图15B示出了图15A中所示的光电封装的透视图。
图16示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的光电封装的透视图。
图17A示出了根据一些实施例的表面贴装器件(SMD)封装的示意性截面图。
图17B示出了图17A中所示的SMD封装的端视图。
图18A示出了根据一些实施例的SMD封装的端视图。
图18B示出了根据一些实施例的SMD封装的端视图。
图19示出了根据一些实施例的SMD封装的下侧。
图20示出了根据一些实施例的SMD封装。
图21A示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的示例性二维光电阵列。
图21B示出了根据一些实施例的二维光电阵列。
图22A和图22B分别示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的示例性二维光电阵列的截面图和透视图。
图23示出了根据一些实施例的二维光电阵列。
图24A和图24B示出了根据一些实施例的可在二维光电阵列中使用的一些示例性SMD封装的示意性端视图。
具体实施方式
激光雷达系统可包括用于发射光束的光源(例如，多个光源)的阵列，所述光束可通过发射透镜投射到目标场景上。可以使用某些形式的扫描机构来跨目标场景地扫描光束。激光雷达系统可以包括接收透镜，该接收透镜用于收集从目标场景反射的返回光束并将它们聚焦到探测器阵列上。在一些实施例中，光源可以安装在距发射透镜不同的距离处，以便使距发射透镜的场曲(field curvature)最小化。可替代地或附加地，每个光源可被定向成使得其基本上指向发射透镜的中心以更优化地投射光束。类似地，探测器也可以安装在距接收透镜的各种距离处并且被定向成使得每个探测器的探测表面的法线基本上指向接收透镜的中心。在大量生产中，需要低成本和精确地自动放置光源和探测器。
在一些实施例中，将两个或更多个光源和/或探测器的阵列放置到表面贴装器件(Surface-Mount Device，SMD)封装中。SMD封装可以被设计成直接焊接到印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上。光源和/或探测器可定位在SMD封装中的不同高度处，以减轻发射透镜或接收透镜的场曲的影响。可替代地或附加地，光源和/或探测器可被定向成使得它们基本上指向发射透镜或接收透镜的中心。
图1示意性地示出了根据一些实施例的用于三维成像的激光雷达传感器100。激光雷达传感器100包括发射透镜130和接收透镜140。激光雷达传感器100包括基本上设置在发射透镜130的后焦面中的光源110a。光源110a可操作以从发射透镜130的后焦面中的相应发射位置发射激光脉冲120。发射透镜130被配置成将激光脉冲120准直并引导为朝向位于激光雷达传感器100前面的对象150。对于光源110a的给定发射位置，经准直的激光脉冲120’被以对应的角度引导为朝向对象150。
经准直的激光脉冲120’的一部分可以被从对象150朝向接收透镜140反射。接收透镜140被配置为将从对象150反射的激光脉冲的部分122聚焦到接收透镜140的焦平面中的对应探测位置上。激光雷达传感器100还包括基本上设置在接收透镜140的焦平面处的探测器160a。探测器160a被配置为在对应的探测位置处接收并探测从对象150反射的激光脉冲120的部分122。探测器160a的对应探测位置与光源110a的相应发射位置光学共轭。
激光脉冲120可以具有短持续时间，例如10ns脉冲宽度。激光雷达传感器100还包括耦接到光源110a和探测器160a的处理器190。处理器190被配置为确定激光脉冲120从发射到探测的飞行时间(Time of Flight，TOF)。因为激光脉冲120以光速行进，所以可以基于所确定的飞行时间来确定激光雷达传感器100与对象150之间的距离。
跨FOV地扫描激光束120’的一种方式是使光源110a在发射透镜130的后焦面中相对于发射透镜130横向移动。例如，如图1所示，可以将光源110a光栅扫描到发射透镜130的后焦面中的多个发射位置。光源110a可以在多个发射位置处发射多个激光脉冲。在相应的发射位置处发射的每个激光脉冲由发射透镜130准直并且被以相应的角度引导为朝向对象150，并且撞击在对象150的表面上的相应点处。因此，当光源110a在发射透镜130的后焦面中的特定区域内被光栅扫描时，对象150上的对应对象区域被扫描。探测器160a可以被光栅扫描以定位在接收透镜140的焦平面中的多个对应探测位置处，如图1所示。探测器160a的扫描可以与光源110a的扫描同步执行，使得探测器160a和光源110a在任何给定时间总是彼此光学共轭。其他扫描图形(例如李萨如图形(Lissajous Pattern))等也是可能的。
通过确定在相应发射位置处发射的每个激光脉冲的飞行时间，可以确定从激光雷达传感器100到对象150表面上的每个对应点的距离。在一些实施例中，处理器190与位置编码器耦接，该位置编码器探测在每个发射位置处的光源110a的位置。基于发射位置，可以确定经准直的激光脉冲120’的角度。基于该角度和到激光雷达传感器100的距离，可以确定对象150的表面上的对应点的X-Y坐标。因此，可以基于从激光雷达传感器100到对象150表面上的各个点的测量距离来构建对象150的三维图像。在一些实施例中，三维图像可以被表示为点云，即，在对象150的表面上的点的X、Y和Z坐标的集合。
在一些实施例中，测量返回激光脉冲122的强度并将其用于调整来自相同发射点的后续激光脉冲的功率，以防止探测器饱和，改善眼睛安全性或降低总功耗。可以通过改变激光脉冲的持续时间、施加到激光器的电压或电流、或存储在用于为激光器供电的电容器中的电荷来改变激光脉冲的功率。在后一种情况下，可以通过改变对电容器的充电时间、充电电压或充电电流来改变存储在电容器中的电荷。在一些实施例中，也可使用强度来向图像添加另一维度。例如，图像可以包含X、Y和Z坐标以及反射率(或亮度)。
激光雷达传感器100的像场角(Angular Field of View，AFOV)可以基于光源110a的扫描范围和发射透镜130的焦距估计为，
Figure BDA0003275292520000051
其中，h是光源110a沿特定方向的扫描范围，f是发射透镜130的焦距。对于给定的扫描范围h，较短的焦距将产生较宽的AFOV。对于给定的焦距f，较大的扫描范围将产生较宽的AFOV。在一些实施例中，激光雷达传感器100可以包括在发射透镜130的后焦面处设置为阵列的多个光源，使得可以在保持每个单独光源的扫描范围相对较小的同时实现更大的总AFOV。因此，激光雷达传感器100可以包括在接收透镜140的焦平面处设置为阵列的多个探测器，每个探测器与相应的光源共轭。例如，激光雷达传感器100可以包括第二光源110b和第二探测器160b，如图1中所示。在其他实施例中，激光雷达传感器100可以包括四个光源和四个探测器，或者八个光源和八个探测器。在一个实施例中，激光雷达传感器100可以包括布置成4×2阵列的8个光源和布置成4×2阵列的8个探测器，使得激光雷达传感器100可以在水平方向上具有比其在垂直方向上的AFOV更宽的AFOV。根据各种实施例，取决于发射透镜的焦距、每个光源的扫描范围和光源的数量，激光雷达传感器100的总AFOV可以在从约5度至约15度、或从约15度至约45度、或从约45度至约120度的范围内。
光源110a可以被配置成在紫外、可见或近红外波长范围内发射的激光脉冲。每个激光脉冲的能量可以是微焦耳数量级，其通常被认为对于KHz范围内的重复速率对眼睛是安全的。对于在大于约1500nm的波长下工作的光源，能级可以更高，因为眼睛不聚焦在那些波长上。探测器160a可包括硅雪崩光电二极管、光电倍增管、PIN二极管或其它半导体传感器。
激光雷达传感器100的角度分辨率可以有效地受到衍射限制，其可以被估计为，
θ＝1.22λ/D，
其中，λ是激光脉冲的波长，D是透镜孔径的直径。角度分辨率还可取决于光源110a的发射区域的尺寸和透镜130和140的像差。根据各种实施例，取决于透镜的类型地，激光雷达传感器100的角度分辨率可以在从约1mrad至约20mrad(约0.05度至1.0度)的范围内。
图2示意性地示出了示例性激光雷达系统200。激光雷达系统200可以包括两个透镜——发射透镜230和接收透镜240。发射透镜230和接收透镜240中的每一者可以是包括多个透镜元件的复合透镜。发射透镜230和接收透镜240可以安装在透镜安装件220中。附接有发射透镜230和接收透镜240的透镜安装件220在本文中可被称为透镜组件。
激光雷达系统200还可以包括一个或多个光源210(例如，多个光源)和一个或多个探测器260(例如，如图2中所示的四个光源210和四个探测器260)。光源210可以安装在光电板250上并且定位在发射透镜230后面(例如，在发射透镜230的焦平面中)。探测器260可以安装在光电板250上并且定位在接收透镜240后面(例如，在接收透镜240的焦平面中)。具有安装于其上的光源210和探测器260的光电板250在本文中可被称为光电组件。
如上面参考图1所讨论的，每个相应的光源210a和对应的探测器260a定位在光电板250上，以使得每个相应的光源210a的位置与对应的探测器260a的位置光学共轭。因此，由相应的光源210a发射的光束可以由发射透镜230投射或准直，并且被从激光雷达系统200的前面的对象反射；并且反射的光束可以由接收透镜240聚焦到对应的探测器260a上。
在一些实施例中，透镜组件可经由一对挠性件270a和270b柔性地附接到基座202，如图2所示。该对挠性件270a和270b中的每一者的一端附接到基座202，而另一端附接到透镜组件220。该对挠性件270a和270b可耦接至致动器204(本文中也称为驱动机构)，例如音圈马达。致动器204可由控制器206控制，以使该对挠性件270a和270b如平行四边形那样向左或向右偏转，从而使透镜组件220如图2中的双面箭头所指示的那样向左或向右移动。发射透镜230的横向移动可致使由光源210发射的激光束在激光雷达系统200前方跨FOV地扫描。当包括发射透镜230和接收透镜240的整个透镜组件220作为单个单元移动时，在扫描透镜组件220时维持了光源210与探测器260之间的光学共轭关系。
虽然图2示出了用于移动透镜组件220的两个杆状挠性件270a和270b，但是可以使用其他挠性机构或台阶。例如，可以使用弹簧、空气轴承等。在一些实施例中，驱动机构204可以包括音圈马达(Voice Coil Motor，VCM)、压电致动器等。在高扫描频率下，该对挠性件270a和270b和驱动机构204可以在其谐振频率下或其谐振频率附近工作，以便将功率需求最小化。
扫描可以通过其它方式实现。例如，透镜组件可以是固定的，而光电板250可以相对于透镜组件(例如，经由一组挠性件)被扫描。在一些实施例中，可以使用包含发射透镜230、接收透镜240、光源210和探测器260的旋转平台来实施扫描。可替代地，可以使用旋转多面镜或一个或多个振荡镜。
激光雷达系统200可以包括多个光源210和多个探测器260。该多个光源210可以布置为一维阵列或二维阵列(例如，在二维阵列的情况下，可以有在垂直于纸面的方向上彼此偏移的一个行或多个行)。类似地，该多个探测器260也可以布置为一维阵列或二维阵列。
图3示意性地示出了根据一些实施例的扫描激光雷达系统300。类似于图2中所示的激光雷达系统200地，激光雷达系统300也包括两个透镜——第一透镜330和第二透镜340。第一透镜330和第二透镜340可以安装在透镜安装件320中。第一透镜330具有第一光轴332，并且第二透镜340具有基本上平行于第一光轴332的第二光轴342。激光雷达系统300还包括多个光源310和多个探测器360。该多个光源310和该多个探测器360可以安装在光电板350上。
这里，代替如图2中所示的激光雷达系统200中那样将所有光源310放在一个透镜后面，并且将所有探测器360放在另一个透镜后面，而是第一组光源310a和第一组探测器360a定位在第一透镜330的焦平面中，第二组光源310b和第二组探测器360b定位在第二透镜340的焦平面中。第一透镜330后面的第一组光源310a和第一组探测器360a可以被称为第一收发器阵列。类似地，第二透镜340后面的第二组光源310b和第二组探测器360b可以被称为第二收发器阵列。因此，第一透镜330和第二透镜340中的每一者都既用作发射透镜又用作接收透镜。因此，第一透镜330和第二透镜340可以被称为收发器透镜。
第二组探测器360b的每个相应的探测器360b位于第二透镜340的焦平面上的与第一透镜330的焦平面上的第一组光源310a中的对应光源310a的相应的位置光学共轭的相应的探测器位置处，使得第二组探测器360b中的相应的探测器360b探测由第一组光源310a中的对应光源310a发射并且被第一透镜330和第二透镜340的前面的一个或多个对象(图3中未示出)反射出的光束。
类似地，第一组探测器360a的每个相应的探测器360a位于第一透镜330的焦平面上的与第二透镜340的焦平面上的第二组光源310b中的相应的光源310b的相应位置光学共轭的相应的探测器位置处，使得第一组探测器360a中的相应检测器360a探测由第二组光源310b中的相应光源310b发射并被一个或多个对象反射出的光束。
根据一些实施例，多个光源和/或多个探测器可以以考虑到透镜的场曲的配置安装在平台上。场曲，也称为“像场弯曲”或“匹兹堡场曲(Petzval curvature)”，其描述了不能使垂直于光轴的平坦对象(flat object)在平坦图像的平面上适当聚焦的光学像差。考虑单元件透镜系统，对于单元件透镜系统，所有平面波前被聚焦到距透镜距离f处的点，f是透镜的焦距。将该透镜放置在距平面图像传感器距离f处，靠近光轴的图像点可以处于完美聚焦，但是离轴的光线可能在图像传感器之前聚焦。当成像表面为球面时，这可能不是什么问题。尽管现代透镜设计，例如利用多个透镜元件的透镜设计，能够在一定程度上使场曲最小化(或“使场平坦化”)，但仍可能存在一些残余场曲。
在存在透镜的场曲的情况下，如果多个光源210安装在平坦表面上，例如在图2中所示的那样，则由光源210发射的远离光轴定位的激光脉冲可能由于发射透镜230的场曲而不被发射透镜230完美地准直。类似地，如果多个探测器260安装在平坦表面上，如图2中所示，则由于接收透镜240的场曲，在远离光轴定位的探测器处，从对象反射的激光脉冲可能不会被接收透镜240完美地聚焦。
图4示出了根据一些实施例的可以考虑透镜场曲的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。光学透镜410可以安装在透镜保持器420上。透镜410以穿过透镜中心414的光轴412和距透镜410距离f处的最佳聚焦表面416为特征，f是透镜410的焦距。最佳聚焦表面416可以由于如上所述的场曲而弯曲，并且可以被称为透镜410的弯曲的“焦平面”。多个光源430可以安装在平台440的表面442上，平台440沿着光轴412大致定位在距透镜410的距离f处。在一些实施例中，平台440的表面442可具有与透镜410的最佳聚焦表面416基本匹配的弯曲形状，使得多个光源430中的每个光源430的发射表面432可大致位于透镜410的最佳聚焦表面416处。通过以这种配置安装多个光源430，即使光源430定位于光轴412之外，由每个光源430发射的激光脉冲也可以被透镜410近乎完美地准直。
例如，假设透镜410的最佳聚焦表面416具有球面形状，则平台440的表面442可以被配置为具有球面形状，使得每个光源430的发射表面432可以基本上位于透镜410的最佳聚焦表面416上。在透镜410的最佳聚焦表面416具有不同于球面的弯曲形状(例如椭圆形、圆锥形或波浪形)的情况下，平台440的表面442可相应地成形。
类似地，图4中示出的多个光源430可由多个探测器替代，使得多个探测器430中的每个探测器430的探测表面432可基本上位于透镜410的最佳聚焦表面416处。在这种配置中，即使探测器430定位于透镜410的光轴412之外，从对象反射的激光脉冲也可以被透镜410接近完美地聚焦在每个探测器430的探测表面432处。
在一些实施例中，多个光源和多个探测器可以共享相同的透镜。探测器可以紧邻其对应的激光器放置，使得一些返回光被探测器拦截。位置可以在激光器的侧面、激光器的前面或激光器的后面。因为激光束通常具有窄的角度分布并且仅利用透镜的中心部分，所以可以采用某些透镜像差(例如球面像差)以有利地将一些返回光从透镜的外部引导到探测器，而不会过度干扰出射激光束的聚焦特性。在可替代设计中，可以使用分束器来分离出射光束和入射光束。这可以允许激光器和探测器共享透镜的共轭点而不会在空间中物理重叠。
图5示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，平台540可以具有平坦表面542，并且多个光源(或探测器)430可以安装在平台540的平坦表面542上。多个光源430可取决于它们相对于透镜410的光轴412的位置而具有变化的高度h，使得每个相应光源430的发射表面432可基本上位于透镜410的最佳聚焦表面416上。例如，对于球形最佳聚焦表面416，更远离光轴412的光源430可以具有比更靠近光轴412的光源430的高度更高的高度，如图5中所示，以便考虑最佳聚焦表面416的曲率。作为示例，每个光源430(或探测器管芯(die))可以放置在相应的表面安装封装中，该表面安装封装将管芯放置在封装底部上方的相应高度h处。相应的高度h可取决于光源430(或探测器管芯)相对于光轴412的位置而变化。然后将封装焊接到放置和定位的印刷电路板，使得每个管芯正确地定位在透镜410的图像点处。
图6示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，多个光源(或探测器)430可以具有基本上相同的高度h。但是平台640可以有具有阶梯状轮廓的表面642，使得每个相应光源430的发射表面432可以基本上位于透镜410的最佳聚焦表面416上。
在一些实施例中，光源和探测器可以以也考虑到透镜的可能畸变和渐晕的配置安装。图7示出了根据一些进一步实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。类似于图4中所示的安装配置地，多个光源(或探测器)430可以安装在平台440的弯曲表面442上，使得每个光源430的发射表面432基本上位于透镜410的最佳聚焦表面416处。此外，多个光源430以变化的角度倾斜，使得每个光源430的发射表面432的法线可基本指向透镜中心414。在这种配置中，由光源430发射的、远离光轴412定位的激光脉冲可以由透镜410以最小的畸变和渐晕来准直。应当理解，术语“透镜中心”可以指代透镜410的光学中心。在透镜410可以表征为薄透镜的情况下，透镜中心414可以是透镜410的几何中心。一些复合透镜可以是部分远心的，在这种情况下，垂直于激光发射或探测器表面的优选取向可以不指向透镜的几何中心，而是指向透镜的光学中心，该光学中心通常处于更接近镜头光轴的角度处。
在一些实施例中，多个探测器可以安装在平台440的平坦表面上。在一些其他实施例中，多个探测器可安装在平台440的弯曲表面442上，使得每个探测器的探测表面可基本指向透镜中心414。因此，图像射线可基本垂直于探测器的探测表面地撞击在探测器上，从而可实现最佳探测效率。
图8示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，平台840可以具有表面842，该表面842包括具有不同取向的多个小面(facet)，使得每个小面844的法线基本上指向透镜410的透镜中心414。多个光源中的每个光源可以包括表面发射激光器，例如垂直腔表面发射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)，或者以使其光相对于封装垂直发射的取向安装在封装中的侧发射激光器。
图9示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，多个光源930安装在具有平坦表面942的平台940上。该多个光源930取决于每个相应光源930相对于光轴412的位置，可以具有变化的高度h和变化的表面倾斜角度，使得每个相应光源930的发射表面932的法线基本上指向透镜中心414。
图10示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，多个光源1030安装在具有基本平坦的表面1042的平台1040上。该多个光源1030取决于每个相应光源1030相对于透镜的光轴412的位置，可具有基本相同的高度H但变化的表面倾斜角度，使得每个相应光源1030的发射表面432的法线基本指向透镜中心414。如图所示，每个相应的光源1030的发射表面1032可基本上位于透镜410的焦平面1016处。
图11示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。这里，多个光源1130安装在具有基本平坦表面1042的平台1040上。多个光源1130中的每个光源1130可以以相应的倾斜角度倾斜，使得每个相应光源1130的发射表面1132的法线基本上指向透镜中心414。如图所示，每个相应光源1130的发射表面1132可基本上位于透镜410的焦平面1016处。
图12示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性截面图。激光雷达系统可以包括第一透镜1210和第二透镜1220。第一透镜1210具有透镜中心1214，并且以第一最佳聚焦表面1216和沿着第一方向的第一光轴1212为特征。第二透镜1220具有透镜中心1224，并且以第二最佳聚焦表面1226和基本上平行于第一光轴1212的第二光轴1222为特征。
激光雷达系统还可以包括安装在平台1250上的多个表面发射光源1230和多个探测器1240。在一些实施例中，平台1250是印刷电路板。平台1250沿着第一方向与第一透镜1210和第二透镜1220间隔开。在一些实施例中，平台1250可具有表面1252(基本上在垂直于纸面的方向(即，Z方向)上延伸)，该表面1252包括多个第一小面(facet)1254。每个表面发射光源1230可安装在相应的第一小面1254上。所述多个第一小面1254可以被定位和定向成使得每个相应的光源1230的发射表面1232基本上位于第一透镜1210的第一最佳聚焦表面1216处，并且其法线基本上指向第一透镜1210的透镜中心1214。平台1250的表面1252可进一步包括多个第二小面1256。每个探测器1240可安装在相应的第二小面1256上。所述多个第二小面1256可以被定位成使得每个相应的探测器1240的探测表面1242位于第二透镜1220的第二最佳聚焦表面1226上的与对应的光源1230的相应位置光学共轭的相应位置处。所述多个第二小面1256可被定向成使得探测表面1242的法线可基本上指向第二透镜1220的透镜中心1224。
图13示出了根据一些其他实施例的用于扫描激光雷达系统中的光电部件的安装配置的示意性俯视图。这里，平台1350(例如，印刷电路板)可以具有在X-Y平面(即，纸的平面)中的平坦表面1352，以及在Z方向(即，在垂直于纸面的方向)上延伸的边缘表面1354。图14示出了如图13中所示的具有安装在其上的多个光源1230和多个探测器1240的平台1350的示意性透视图。多个边缘发射光源1330中的每一者可以包括边缘发射光源。多个光源1330可以设置在平台1350的平坦表面1352上作为沿着弧的阵列，使得每个相应光源1330的发射表面1332基本上位于第一透镜1210的最佳聚焦表面1216处，并且其法线基本上指向第一透镜1210的透镜中心1214。平台1350的边缘表面1354可以包括多个小面1356。每个探测器1240可安装在边缘表面1354的相应小面1356上。多个小面1356可被定位成使得每个相应探测器1240的探测表面1242位于第二透镜1220的最佳聚焦表面1226上的与对应光源1330的相应位置共轭的相应位置处。所述多个第二小面1356可以被定向成使得探测表面1242的法线可以基本上指向第二透镜1220的透镜中心1224。
在激光雷达系统的大量生产中，将各个光源和探测器精确地放置在期望的位置和取向可能是耗时的。因此，需要光源和探测器的低成本和精确的自动化放置。在一些实施例中，将光源和/或探测器的阵列放置到表面贴装器件(Surface-Mount Device，SMD)封装中。SMD封装可以被设计成直接焊接到印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上。光源和/或探测器可以位于SMD封装中不同的高度处以减轻发射透镜或接收透镜的场曲的影响，并且还可以被定向成使得它们基本上指向发射透镜或接收透镜的中心，如以上参考图4-14所讨论的。
图15A示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的光电封装1510的截面图。图15B示出了光电封装1510的透视图。参照图15A，激光雷达系统包括光学透镜1502。例如，光学透镜1502可以是图1中所示的激光雷达系统100中的发射透镜130或接收透镜140。光学透镜1502以光轴1508、透镜中心1506和最佳聚焦表面1504为特征。应当注意，虽然在图15A中示出了单元件光学透镜，但是光学透镜1502可以包括复合透镜，该复合透镜包括多个光学元件。对于厚透镜或复合透镜，术语“透镜中心”可指代光学透镜1502的主点(principalpoint)。术语“最佳聚焦表面”可以指代光学透镜1502的“焦平面”。“焦平面”可以由于场曲而弯曲。应当注意，虽然最佳聚焦表面1504在图15A中示出为基本上为球形的表面，但是最佳聚焦表面1504可以具有除球形以外的形状。例如，对于复合透镜，最佳聚焦表面1504可以具有复杂或不规则的形状。
光电封装1510可以包括沿着光轴1508与光学透镜1502间隔开的衬底1520以及嵌入其中的多个光电部件1530。该多个光电部件1530可以以特定高度定位在衬底1520上，使得每个相应的光电部件1530的表面1532位于光学透镜1502的最佳聚焦表面1504上。每个光电部件1530可以是光源或探测器。通过在该配置中定位光电部件1530，可以减轻光学透镜1502的场曲的影响。例如，在光电部件1530是光源的情况下，即使光源定位在光学透镜1502的光轴1508之外，由光源发射的激光束也可以被光学透镜1502相对良好地准直。类似地，在光电部件1530是探测器的情况下，返回光束可以被光学透镜1502相对良好地聚焦到探测器的表面1532上。可替代地或附加地，多个光电部件1530可以以特定的取向定位在衬底1520上，使得每个光电部件1530基本上指向透镜中心1506。在部分或完全远心的透镜的情况下，从激光器(或探测器)到有效透镜中心的角度可以不同于从透镜到对象的角度。
注意，在图15A中所示的光电封装1510中示出了四个光电部件1530，并且在图15B中所示的光电封装1510中示出了五个光电部件1530。根据激光雷达系统的需要和设计，可以将光电封装1510中的光电部件1530的数量改变为更少数量或更多数量。
在一些实施例中，多个光电部件1530可以包括多个光源。在这种情况下，光学透镜1502可以用作发射透镜，例如图1中所示的激光雷达系统100中的发射透镜130。在一些实施例中，多个光电部件1530可以包括多个探测器。在这种情况下，光学透镜1502可以用作接收透镜，例如图1中所示的激光雷达系统100中的接收透镜140。
在一些实施例中，多个光电部件1530可以包括一个或多个光源和一个或多个探测器，类似于图3中所示的激光雷达系统300中的收发器阵列。在这种情况下，光电封装1510可以被称为收发器封装。
图16示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的光电封装1610的透视图。光电封装1610包括衬底1620，该衬底1620包括第一表面1622和与第一表面1622相对的第二表面1624(在图16中隐藏)。光电封装1610包括安装在衬底1620的第一表面1622上的多个光源1630和安装在衬底的第二表面1624上的多个探测器1640。
在同一封装中包括光源1630和探测器1640两者的光电封装1610可以提供若干优点。例如，它可以允许在光源1630与探测器1640之间更精确地对准。另外，可以实现光源1630和探测器1640的更高的堆积密度。此外，通过散布光源1630和探测器1640，光源1630可以有效地分散在较大的区域上，这可以允许较高的总光功率水平而不超过眼睛安全极限。
在一些实施例中，光电封装1510可以被配置为表面贴装器件(Surface MountDevice，SMD)封装。例如，可以使用引线键合、导电环氧树脂或焊料来将每个光电部件1530(例如，激光器或探测器)电连接到SMD封装。然后，SMD封装中的金属迹线连接到封装的底部的金属焊盘或接触引脚，该金属焊盘或接触引脚允许SMD焊接到印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)1540。
图17A示出了根据一些实施例的SMD封装1700的示意性截面图。图17B示出了SMD封装1700的端视图。SMD封装1700包括衬底1720和多个光电部件1730(例如，光源和/或探测器)，所述多个光电部件1730以特定高度和取向定位在衬底1720上，如上所述。在一些实施例中，光电部件1730可以包括半导体芯片。
衬底1720的底部可以具有形成在其上的焊盘1734。每个光电部件1730可以具有经由穿过衬底1720的通孔1739电连接到焊盘1734的引线键合1732。SMD封装1700可以附接到PCB板1740。PCB板1740的顶表面可以具有形成在其上的焊盘1736，该焊盘1736对应于衬底1720底部处的焊盘1734。因此，SMD封装1700可以经由衬底1720底部的焊盘1736与PCB 1740顶部的焊盘1736之间的焊料1738被机械耦接和电耦接到PCB板1740。SMD封装1700可以被设计成使用自动拾取和放置机器人以及用于大量制造的波峰焊接技术来焊接到PCB 1740的表面上。
SMD封装1700可由清澈(clear)密封剂1750(例如环氧树脂、塑料等)封装。密封剂1750可以覆盖SMD封装1700的顶部以及侧面。密封剂1750可保护光电部件1730免受环境影响。在一些实施例中，光电部件1730上方的区域可以用保护玻璃板覆盖，或者可以不受保护，使得光源可以从SMD封装1700发射出光，并且探测器可以将光接收到SMD封装1700中。在一些实施例中，SMD封装1700还可以包括透镜以帮助准直激光束或使激光束成形(例如，使它们更几何对称)。在一些实施例中，SMD封装1700还可以包括滤光器，例如，以阻挡太阳光和其他不需要的光干扰探测器。
图18A示出了根据一些实施例的SMD封装1800的端视图。SMD封装可以包括收发器封装，该收发器封装包括多个光源1830(例如，设置为在垂直于页面的方向上的阵列)和多个探测器1840(例如，设置为在垂直于页面的方向上的阵列)。光源1830和探测器1840可安装在衬底1820的顶表面上。在一些实施例中，每个光源的高度可以不同于每个探测器的高度。在这种情况下，衬底的顶表面可以是阶梯状的，使得每个光源的顶表面和每个探测器的顶表面可以位于收发器透镜的同一平面(例如，最佳聚焦表面)上。
图18B示出了根据一些实施例的SMD封装1850的端视图。除了光源1830附接到衬底1820的侧壁之外，SMD封装1800与图18A中所示的SMD封装1800类似。光源1830可定位成使得每个光源1830的顶表面和每个探测器1840的顶表面可位于收发器透镜的同一平面(例如，最佳聚焦表面)上。
图19示出了根据一些实施例的SMD封装1900的下侧。SMD封装1900包括在其底表面上的焊盘1936，用于焊接到PCB。SMD封装1900可包括覆盖光电部件的清澈塑料盖或玻璃盖1950。
图20示出了根据一些实施例的SMD封装2000。这里，SMD封装包括用于焊接到印刷电路板的金属导线2036，以替代焊盘。
在一些LiDAR实现方式中，可以使用光源的二维阵列和探测器的二维阵列。根据一些实施例，可以在PCB板上布置多个SMD封装(每个SMD封装包括光电部件的一维阵列)以形成二维阵列。
图21A示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的示例性二维光电阵列2100。光电阵列2100包括附接到PCB 2140的多个SMD封装2110。每个SMD封装2110包括光电部件2130(例如，光源或探测器，或光源和探测器的组合)的一维阵列，类似于图15B中所示的光电封装1510。PCB 2140是弯曲的(例如，像圆柱形表面)，使得不同SMD封装2110的所有光电部件2130可以使它们的表面位于光学透镜2102的最佳聚焦表面上，和/或基本上指向透镜中心2106。在一些实施例中，PCB 2140可以包括柔性PCB。
图21B示出了二维光电阵列2100，其中每个SMD封装2110包括覆盖光电部件2130的清澈密封剂2150。
图22A和图22B分别示出了根据一些实施例的用于激光雷达系统的示例性二维光电阵列2200的截面图和透视图。与图21中所示的二维光电阵列2100类似，二维光电阵列2200包括多个SMD封装2110。每个SMD封装2110包括光电部件2130(例如，光源或探测器，或光源和探测器的组合)的一维阵列，类似于图15B中所示的光电封装1510。这里，将多个SMD封装2110焊接到插入件2220。插入件2220具有多个小面2222。每个相应的SMD封装2110安装在相应的小面2222上。多个小面2222以特定的高度和角度制造，使得不同SMD封装2110的所有光电部件2130可以使它们的表面位于光学透镜2102的最佳聚焦表面上，和/或基本上指向透镜中心2106。然后可以将插入件2220焊接到PCB 2240(例如，平面PCB)。插入件2220可以包括具有电互连(未示出)的金属焊盘，以将SMD封装2110电耦接到PCB2240。也可以采用其它电连接方法，例如引线键合和导电环氧树脂。可替代地，插入件2220可以首先附接到PCB 2240，然后SMD封装2110可以被附接到插入件2220。
图23示出了根据一些实施例的二维光电阵列2300。二维光电阵列2300类似于图22A-22B中所示的二维光电阵列2200。这里，插入件2300具有阶梯状的小面2322。每个SMD封装2110包括覆盖光电部件2130的清澈密封剂2150。每个SMD封装2110可包括具有以期望角度倾斜的倾斜表面的衬底，使得不同SMD封装2110的所有光电部件2130可基本指向透镜中心2106。
图24A和24B示出根据一些实施例的可在二维光电阵列2300中使用的一些示例性SMD封装2410和2420的示意性端视图。SMD封装2410和2420中的每一者可以包括安装在衬底2412或2422上的光电部件2402的一维阵列(该光电部件2402的阵列沿着垂直于页面的方向分布)。衬底2412和2422中的每一者具有倾斜表面2414或2424。表面倾斜角度α可取决于SMD封装2410或2420相对于光轴的位置而变化。例如，更靠近光轴定位的SMD封装2410可以具有如图24A中所示的相对较小的倾斜角度α，而更远离光轴定位的SMD封装2420可以具有如图24B中所示的相对较大的倾斜角度α。SMD封装2410或2420可以用透明盖2404覆盖，并且可以包括芯片基座2412或2422上的焊盘2406和2408。根据一些实施例，衬底2412或2422的高度h可以相同。例如，如图23中所示，可以通过相应的小面2322的高度来正确地设置每个相应的SMD封装2110中的光电部件2130的高度。在一些实施例中，衬底2412或2422的高度h可取决于SMD封装2410或2420相对于光轴的位置而变化。例如，SMD封装2410和2420可以直接焊接到图23中所示的PCB 2240上，而不需要插入件2300。每个SMD封装2110中的光电部件2130的高度可以通过相应的SMD封装2410或2420的衬底2412或2422的高度h来正确地设置。
还应当理解，本文中描述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且将向本领域技术人员建议根据这些示例和实施例进行的各种修改或改变，并且各种修改或改变将包括在本申请的精神和视界以及所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种激光雷达系统，包括：
第一光学透镜，其以第一光轴、第一透镜中心和第一最佳聚焦表面为特征；
一个或多个第一光电封装，所述一个或多个第一光电封装沿着所述第一光轴与所述第一光学透镜间隔开，每个相应的所述第一光电封装包括第一多个光电部件，所述第一多个光电部件定位在相应的所述第一光电封装上，使得所述第一多个光电部件中的每个相应的光电部件的表面基本上位于所述第一最佳聚焦表面上；
第二光学透镜，其以第二光轴、第二透镜中心和第二最佳聚焦表面为特征；以及
一个或多个第二光电封装，所述一个或多个第二光电封装沿着所述第二光轴与所述第二光学透镜间隔开，每个相应的所述第二光电封装包括第二多个光电部件，所述第二多个光电部件定位在相应的所述第二光电封装上，使得所述第二多个光电部件中的每个相应的光电部件的表面基本上位于所述第二最佳聚焦表面上。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述第一最佳聚焦表面和所述第二最佳聚焦表面中的每一者是弯曲的。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述第一多个光电部件定位在相应的所述第一光电封装上，使得所述第一多个光电部件中的每个相应的光电部件基本上朝向所述第一透镜中心定向；并且
所述第二多个光电部件定位在相应的所述第二光电封装上，使得所述第二多个光电部件中的每个相应的光电部件基本上朝向所述第二透镜中心定向。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，每个相应的所述第一光电封装包括第一表面贴装器件(SMD)封装，并且每个相应的所述第二光电封装包括第二SMD。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，还包括：第一印刷电路板(PCB)和第二PCB，其中所述一个或多个第一光电封装机械耦接和电耦接到所述第一印刷电路板(PCB)，并且所述一个或多个第二光电封装机械耦接和电耦接到所述第二PCB。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其中，所述第一印刷电路板具有第一弯曲表面，所述一个或多个第一光电封装安装在所述第一弯曲表面上，并且所述第二印刷电路板具有第二弯曲表面，所述一个或多个第二光电封装安装在所述第二弯曲表面上。
7.根据权利要求4所述的激光雷达系统，还包括印刷电路板(PCB)，其中所述一个或多个第一光电封装和所述一个或多个第二光电封装机械耦接和电耦接到所述PCB。
8.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，所述一个或多个第一光电封装包括多个第一光电封装，并且所述一个或多个第二光电封装包括多个第二光电封装，所述激光雷达系统还包括：
具有第一多个小面的第一插入件，其中，所述多个第一光电封装安装在所述第一插入件上，每个相应的第一光电封装设置在所述第一多个小面中的相应小面上；以及
具有第二多个小面的第二插入件，其中，所述多个第二光电封装安装在所述第二插入件上，每个相应的第二光电封装设置在所述第二多个小面中的相应小面上。
9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，还包括一个或多个平面印刷电路板(PCB)，其中所述第一插入件和所述第二插入件安装在所述一个或多个平面PCB上。
10.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述第一多个光电部件包括第一多个光源；并且
所述第二多个光电部件包括第二多个探测器。
11.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中：
所述第一多个光电部件包括第一组光源和第一组探测器；并且
所述第二多个光电部件包括第二组光源和第二组探测器。
12.一种用于激光雷达系统的光电封装，所述激光雷达系统包括光学透镜，所述光学透镜以光轴、透镜中心和最佳聚焦表面为特征，所述光电封装包括：
衬底，其沿着所述光轴与所述光学透镜间隔开；以及
多个光电部件，所述多个光电部件定位在所述衬底上，使得每个相应的光电部件的表面基本上位于所述光学透镜的所述最佳聚焦表面上。
13.根据权利要求12所述的光电封装，其中，所述第一最佳聚焦表面和所述第二最佳聚焦表面中的每一者是弯曲的。
14.根据权利要求12所述的光电封装，其中，每个相应的光电部件定位在所述衬底上，使得所述相应的光电部件基本上朝向透镜中心定向。
15.根据权利要求12所述的光电封装，所述光电封装被配置为用于机械耦接和电耦接到印刷电路板(PCB)的表面贴装器件(SMD)封装。
16.根据权利要求12所述的光电封装，其中，所述多个光电部件包括多个光源或多个探测器。
17.根据权利要求12所述的光电封装，其中，所述多个光电部件包括一组光源和一组探测器。
18.根据权利要求12所述的光电封装，其中，所述衬底具有以多个小面为特征的表面，每个相应的光电部件定位在所述多个小面中的相应的小面上。
19.一种用于激光雷达系统的光电封装，所述激光雷达系统包括光学透镜，所述光学透镜以光轴、透镜中心和最佳聚焦表面为特征，所述光电封装包括：
衬底，其沿着所述光轴与所述光学透镜间隔开；以及
多个光电部件，所述多个光电部件定位在所述衬底上，使得每个相应的光电部件基本上朝向所述透镜中心定向。
20.根据权利要求19所述的光电封装，所述光电封装被配置为用于机械耦接和电耦接到印刷电路板(PCB)的表面贴装器件(SMD)封装。
21.根据权利要求19所述的光电封装，其中，所述多个光电部件包括多个光源或多个探测器。
22.根据权利要求19所述的光电封装，其中，所述多个光电部件包括一组光源和一组探测器。
23.根据权利要求22所述的光电封装，其中，所述衬底具有顶表面和侧表面，并且其中所述一组光源设置在所述侧表面上，并且所述一组探测器设置在所述顶表面上。
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