CN114488080A - 匀光片、可用于激光雷达的光发射单元和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种匀光片，包括：弯曲的基底，所述基底具有第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面和第二侧表面中的至少一个为菲涅尔表面，所述基底由透光材料制成；和匀光结构，所述匀光结构周期性排列在所述第一侧表面和/或所述第二侧表面上，其中所述匀光结构一体式地形成在所述弯曲的基底上。本发明还提供一种可用于激光雷达的光发射单元以及激光雷达。

Description

匀光片、可用于激光雷达的光发射单元和激光雷达

技术领域

本公开大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种匀光片、可用于激光雷达的光发射单元以及激光雷达。

背景技术

匀光片是一种常见的光学器件，用于在一维或者二维的尺度范围内产生均匀的光场。匀光片通常具有平坦的基底，其上具有光学微结构，用于对入射的光束进行均匀化，从而投射出相对均匀的光场。

但这种类型的匀光片在用于特定场合时，例如用于激光雷达时，会产生一些不期望的光学调制现象，例如在预期不发生光束变化或偏折的方向上，实际也会发生一定程度的偏折。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

本发明目的是提供一种改进的匀光片，使其能够用于一些特殊的场合中，例如用于激光雷达。

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种匀光片，包括：

弯曲的基底，所述基底具有第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面和第二侧表面中的至少一个为菲涅尔表面，所述基底由透光材料制成；和

匀光结构，所述匀光结构周期性排列在所述第一侧表面和/或所述第二侧表面上，

其中所述匀光结构一体式地形成在所述弯曲的基底上。

根据本发明的一个方面，所述基底的第一侧表面和第二侧表面均为菲涅尔表面，所述匀光结构位于所述第一侧表面上。

根据本发明的一个方面，所述菲涅尔表面包括多个节段，相邻的两个节段之间的过渡表面的角度根据该位置的预设入射角度确定。

根据本发明的一个方面，所述匀光结构包括柱面镜，优选为异形柱面镜。

根据本发明的一个方面，多个柱面镜平行地排布在所述第一侧表面和/或所述第二侧表面上，相邻的柱面镜之间具有形状与所述柱面镜相对应的凹陷部。

根据本发明的一个方面，所述菲涅尔表面上距离其中心越远的位置，入射角度越大。

根据本发明的一个方面，所述菲涅尔表面的至少一部分上具有吸收属性光学膜层。

根据本发明的一个方面，所述弯曲的基底的曲率以及所述匀光结构配置成使得：一束平行的光束穿过所述匀光片之后，在第一平面内保持平行，在第二平面内被发散，其中所述第一平面垂直于第二平面。

本发明还提供一种可用于激光雷达的光发射单元，包括：

激光器阵列，包括多个激光器，配置成发射出探测光束；

光学整形单元，设置在所述激光器阵列的光路下游，配置成接收所述激光器发射出的探测光束并进行整形；和

如上所述的匀光片，设置在所述光学整形单元的光路下游，配置成从所述准直单元接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射。

根据本发明的一个方面，所述光学整形单元包括准直透镜或准直透镜组，所述激光器包括VCSEl激光器，所述激光器阵列包括多列激光器，每次驱动其中一列激光器发光。

本发明还提供一种激光雷达，包括：：

如上所述的光发射单元；

接收单元，配置成接收所述光发射单元发射的探测光束在障碍物上反射后的回波；

处理单元，耦接到所述光发射单元和接收单元，配置成根据所述回波的飞行时间或相位获取所述障碍物的距离。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达为固态激光雷达。

本发明还提供一种固态激光雷达，包括：：

光发射单元，包括：

激光器阵列，包括多个激光器，配置成发射出探测光束；

光学整形单元，设置在所述激光器阵列的光路下游，配置成接收所述激光器发射出的探测光束并进行整形；和

匀光片，设置在所述光学整形单元的光路下游，配置成从所述准直单元接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射。

接收单元，配置成接收所述光发射单元发射的探测光束在障碍物上反射后的回波；

处理单元，耦接到所述光发射单元和接收单元，配置成根据所述回波的飞行时间获取所述障碍物的距离。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了一种匀光片结构；

图2示出了根据本发明一个实施例的一种匀光片的立体图；

图3示出了该匀光片的俯视图；

图4示出了使用图2和图3的匀光片投射出的光场的示意图；

图5示出了根据本发明一个优选实施例的匀光结构的示意图；

图6示出了根据本发明一个优选实施例的菲涅尔表面的示意图；

图7示出了根据本发明一个优选实施例的菲涅尔表面的示意图；

图8示出了根据本发明一个优选实施例的一种可用于激光雷达的光发射单元；

图9示出了多列激光器分别在距离匀光片一定距离处的接收平面上产生的特定畸变效果的图案；

图10示出了根据本发明一个优选实施例的一种激光雷达。

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"、"竖直"、"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。

图1示出了一种匀光片结构，如图所示，该匀光片结构右侧的底部大致为平坦的，在左侧上具有多个柱面镜，柱面镜相互平行地成周期性排列，并且彼此靠近。对于入射到其上的平行光束，匀光片将会对该平行光束进行扩散，形成具有一定发散度的出射光束，从而产生均匀光场的效果。

图2示出了根据本发明一个实施例的一种匀光片10的立体图，图3示出了该匀光片10的俯视图。下面参考图2和图3详细描述。如图2和图3所示，该匀光片10具有弯曲的基底11。与图1所示的匀光片结构不同，图2和图3所示的匀光片10的基底11是弯曲的。基底11具有第一侧表面111和第二侧表面112，所述第一侧表面111和第二侧表面112中的至少一个为菲涅尔表面。通过使得第一侧表面111和第二侧表面112中的至少一个为菲涅尔表面，可以有助于减小匀光片10的厚度。另外，所述基底11由透光材料制成，以便使得光线能够通过。在图2和图3所示的实施例中，基底11的第一侧表面111和第二侧表面112均为菲涅尔表面，本发明不限于此，也可以仅使得第一侧表面111或第二侧表面112中的一个为菲涅尔表面，这些都在本发明的保护范围内。

在图2中，x方向大致平行于所述弯曲基底11的纵向的方向。例如当该基底大致为对称的圆弧或者弧线时，x方向平行于该基底的中间部分的切线。y方向在水平面内与x方向垂直，z方向为竖直方向，垂直于x和y方向。

如图2所示，该匀光片10还包括匀光结构12，所述匀光结构12周期性地排列在所述第一侧表面111和/或所述第二侧表面112上。匀光结构12配置成使得入射到匀光片10上的光束至少在一个维度上进行均匀化(例如具有一定的发散度)，也可以在两个维度上进行均匀化。例如，对于入射到匀光片10上的、位于x-y平面内的平行光束，匀光结构12可以使得该平行光束在透射之后在仅在z方向上进行扩散，产生一定的发散角(在yz平面内)，而在x-y平面内仍然保持未扩散的状态(或者仍然保持平行状态，但光路的截面大小发生了变化)；也可以使得该平行光束在透射之后在x-y平面内、以及在z方向上都发生了扩散，即在xy平面中具有一定的发散角，在y-z平面中同样具有一定的发散角。这些都在本发明的保护范围内。所述匀光结构可以形成在菲涅尔化的侧表面上，也可以形成在未菲涅尔化的表面上。

在图2的实施例中，所述匀光结构12包括在所述匀光片10的第一侧表面111上的柱面镜，该柱面镜沿着图2中x方向延伸，分布在菲涅尔化的第一侧表面111上。该柱面镜基本类似于图1所示的匀光片上的柱面镜，区别在于在图2中，柱面镜分布在弯曲的基底11上，并且基底的至少一个侧表面被菲涅尔化。除了柱面镜，也可以采用其他形式的匀光结构12，例如异形柱面镜。

根据本发明的实施例，所述匀光结构12一体式地形成在所述弯曲的基底11上。例如所述基底为玻璃材质，可以在其表面上刻蚀形成相应的匀光结构。或者可替换的，可以在玻璃材质的基底上施加光刻胶，然后通过相应的模具进行压印，将光刻胶形成为预设的匀光结构12的形状，然后经过固化过程使光刻胶凝固，从而使得匀光结构与基底形成一体。

在图2和图3的实施例中，所述基底11的第一侧表面111和第二侧表面112均为菲涅尔表面，所述匀光结构12位于所述第一侧表面111上。当然也可以另外的在第二侧表面112上形成匀光结构12，或者可以在第一侧表面111和第二侧表面112同时形成匀光结构12，取决于具体的光学设计，此处不再赘述。

根据本发明的一个优选实施例，所述弯曲的基底11的曲率以及所述匀光结构12配置成使得：一束平行的光束穿过所述匀光片之后，在第一平面内保持平行，在第二平面内被发散，其中所述第一平面垂直于第二平面。如图4所示，入射到匀光片10的第一侧表面111上的光束L1为yz平面内的平行光束(也可以在x方向具有一定的尺度)，基底11的曲率以及所述匀光结构设计成使得入射光束L1在经过匀光片10之后，出射光束L2在yz平面内(即第二平面)内发生明显的发散，而在xy平面(第一平面)内未发生明显的发散，并且当入射光束L1在x方向具有一定的尺度的情况下，出射光束L2在xy平面内仍然保持平行，或者x方向的尺度保持不变。因此通过一维拉伸的非球面透镜阵列实现YZ的角度扩展。

根据本发明的一个实施例，相邻的匀光结构(例如柱面镜)12之间相互间隔开。如图5所示，相邻的柱面镜12彼此间隔开一定的距离，并且优选的，在相邻的柱面镜12之间设置有凹陷部13，凹陷部13的形状可以与所述柱面镜12相对应。通过将相邻的匀光结构12进行分隔，可以降低加工的难度。图1所示的两个柱面镜相接的区域在加工时容易产生过渡圆弧，导致杂散光。图5的实施例中，为了降低加工难度，减少因加工偏差导致的杂散光，将柱面镜阵列改成波浪形的排列方式。

根据本发明的一个优选实施例，在对所述匀光片10的第一侧表面111和/或第二侧表面112进行菲涅尔化设计时，对于该表面上的每个位置都具有预设的入射角，并且菲涅尔表面在各个位置的角度根据该位置的预设入射角来确定。如图6所示，以第一侧表面111为例，其菲涅尔化的表面具有多个节段，如图6中的a1、a2和a3所示，在各个节段之间具有过渡表面。在现有的菲涅尔表面中，该过渡表面通常采用90度的过渡表面，即过渡表面基本垂直于相邻的两个节段。根据本发明的一个优选实施例，在设计过渡表面时，根据该位置处入射光的入射角度来确定。所述菲涅尔表面上距离其中心越远的位置，入射角度越大。如图6所示，直线O-O为匀光片10在x方向的中心轴线，通过入射到该部位的光线与直线O-O的夹角θ来表征入射光的入射角度。根据本发明的另一个优选实施例，过渡表面与该部位处入射光的路径相重合。

根据本发明的一个优选实施例，在所述菲涅尔表面的至少一部分上具有吸收属性光学膜层。如图7所示，所述匀光片10的第一侧表面111和第二侧表面112都为菲涅尔表面，在每个菲涅尔表面的各个节段之间的过渡表面上都具有吸收属性的光学膜层14。通过设置吸收属性的光学膜层14，能够有效地吸收或者减少杂散光。

上面描述的匀光片可以非常有利地应用于激光雷达中。图8示出了根据本发明的一种可用于激光雷达的光发射单元20，下面参考附图详细描述。

如图8所示，光发射单元20包括激光器阵列21、光学整形单元22以及如上所述的匀光片10。其中激光器阵列21包括多个激光器，构成光源，如图8中示出的激光器21-1、21-2和21-3等多个激光器，配置成发射出探测光束LL。根据本发明的一个优选实施例，所述激光器包括VCSEl激光器，发射出的探测光束LL具有一定的发散角。

光学整形单元22设置在所述激光器阵列21的光路下游，配置成接收所述激光器21发射出的探测光束LL并进行整形。匀光片10设置在所述光学整形单元22的光路下游，配置成从所述光学整形单元22接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射。根据本发明的一个实施例，所述光学整形单元22包括准直透镜或准直透镜组，激光器阵列21设置在所述准直透镜或准直透镜组的焦平面上，从而激光器阵列21出射的光束在经过准直透镜或准直透镜组之后，被整形为平行光束或者基本平行的光束。根据本发明的一个优选实施例，该平行光束入射到匀光片10上并透射通过之后，在xy平面内观察，其并未发生偏折或扩散，仍然保持xy平面内平行，但在yz平面内观察时，则发生了扩散，如图4所示的。光束通过匀光片之后，继续传播，入射到外部的障碍物OB上，并产生漫反射。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光器阵列21包括多列激光器，每列包括一个或多个激光器。光发射单元20还可包括控制器，控制器与每个或每列激光器耦合，配置成每次驱动其中一列激光器发光，每列激光器发射的探测光束经准直后例如为在图4中所示出的平行光束L1。多列激光器分布在图4中x方向的不同位置坐标处，从而多组光束L1照射到匀光片10沿着x轴的不同位置处。经过匀光片之后，在yz平面中产生一定的扩散。图9示出了多列激光器分别在距离匀光片一定距离处的接收平面上产生的特定畸变效果的图案，该图案中，中间的直线代表在匀光片的10的x方向中心轴线O-O位置处入射的平行光束L1产生的匀光效果(图4所示的情形)，两边的抛物线代表入射到匀光片的10的x方向中心轴线O-O两侧处的平行光束L1产生的匀光效果。

上述实施例中，通过匀光片10，可以实现直接投出覆盖所需全部视野(FOV)的线阵，可用于实现固态式的激光雷达系统，从而提高产品的可靠性。另外，本发明所涉及的光学器件搭配VCSEL光源使用。VCSEL阵列具备出色的功率密度、转换效率和间距。VCSEL为布局设计留有极大的灵活性，包括像素大小、尺寸和间距，以及特定的可寻址功能。大功率VCSEL不易受单个发射器故障的影响，在工作温度范围内更加稳定，且易于集成。通过集成功能性安全标准提供增强功能和护眼功能，实现高可靠性。

Vcsel发出的具有一定发散角的光经准直镜头组，整形为平行光，入射到本发明的光学结构上。本发明结构将一维拉伸的柱面镜/非球面镜阵列叠加于曲率的弧面上，可以将每个角度的圆形光斑整形成一个覆盖整个竖直视场的长形光斑。并保持XY平面光线沿原方向继续传播。为了使元器件薄化，进行菲涅尔化。

光源发出具有一定发散角的光，经准直镜头组准直后，入射到匀光器。匀光器调制入射光线，使其在XY平面继续沿原方向传播，在YZ平面进行一维扩展，形成FOV为50～160度线条状光斑。同一时间可以只投一条线。准直光经过本发明所设计的光学结构，可以在平面接收器上形成特定畸变效果的图案，在空间角度上则是间隔一定角度的线阵。每次通过驱动点亮VCSEL阵列发光中的一列，经准直镜头组准直后，得到一特定角度平行光，经匀光器整形成与入射光线相同角度线条状光斑，从而可以实现无运动部件的线阵扫描激光雷达，提高激光雷达的可靠性及降低成本。

另外，本发明的上下文中，“匀光”是指沿着一个方向或两个方向产生扩散的效果，并不限于形成二维的均匀光场，例如图4所示的情形，也在本发明的“匀光”的含义内。

如图10所示，本发明还提供一种激光雷达30，用于探测周围的三维环境。所述激光雷达30包括如上所述的光发射单元20、接收单元32以及处理单元33。其中光发射单元20配置成向激光雷达周围发射探测光束L，探测光束L在障碍物OBJ上发生漫反射，部分回波L’返回到激光雷达30，被激光雷达30的接收单元32接收。接收单元32包括光电传感器，例如雪崩二极管APD、单光子雪崩二极管SPAD、SiPm等，可以将回波L’转换成电信号。转换的电信号经过适当的信号处理过程，例如滤波、放大、模数转换之后，由处理单元33接收。处理单元33与光发射单元20和接收单元32耦合，从而可获取探测光束L和回波L’的信息，包括发射时间、接收时间、波长、脉宽、相位等信息，因此可根据探测光束L和回波L’的信息来计算障碍物的信息，例如是否存在障碍物、障碍物的距离、方位、反射率等信息。优选的，处理单元33配置成根据所述回波L’的飞行时间获取所述障碍物的距离。

根据本发明的一个优选实施例，所述激光雷达30为固态激光雷达，即不具有旋转的光机转子。激光雷达的处理单元33也可以配置成根据回波L’的相位来确定障碍物的距离。

本发明还提供一种固态激光雷达，包括：

光发射单元，包括：

激光器阵列，包括多个激光器，配置成发射出探测光束；

光学整形单元，设置在所述激光器阵列的光路下游，配置成接收所述激光器发射出的探测光束并进行整形；和

匀光片，设置在所述光学整形单元的光路下游，配置成从所述准直单元接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射。所述匀光片不限于上文所述的匀光片10。

接收单元，配置成接收所述光发射单元发射的探测光束在障碍物上反射后的回波；

处理单元，耦接到所述光发射单元和接收单元，配置成根据所述回波的飞行时间获取所述障碍物的距离。

该固态激光雷达的改进之一在于将匀光片应用于激光雷达中，从而通过匀光片，使得可以利用较小的光束覆盖较大的视场。

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)

1.一种匀光片，包括：

弯曲的基底，所述基底具有第一侧表面和第二侧表面，所述第一侧表面和第二侧表面中的至少一个为菲涅尔表面，所述基底由透光材料制成；和

匀光结构，所述匀光结构周期性排列在所述第一侧表面和/或所述第二侧表面上，

其中所述匀光结构一体式地形成在所述弯曲的基底上。

2.如权利要求1所述的匀光片，其中所述基底的第一侧表面和第二侧表面均为菲涅尔表面，所述匀光结构位于所述第一侧表面上。

3.如权利要求2所述的匀光片，其中所述菲涅尔表面包括多个节段，相邻的两个节段之间的过渡表面的角度根据该位置的预设入射角度确定。

4.如权利要求1-3中任一项所述的匀光片，其中所述匀光结构包括柱面镜，优选为异形柱面镜。

5.如权利要求4所述的匀光片，其中多个柱面镜平行地排布在所述第一侧表面和/或所述第二侧表面上，相邻的柱面镜之间具有形状与所述柱面镜相对应的凹陷部。

6.如权利要求3所述的匀光片，其中所述菲涅尔表面上距离其中心越远的位置，入射角度越大。

7.如权利要求1-3中任一项所述的匀光片，其中所述菲涅尔表面的至少一部分上具有吸收属性光学膜层。

8.如权利要求1-3中任一项所述的匀光片，其中所述弯曲的基底的曲率以及所述匀光结构配置成使得：一束平行的光束穿过所述匀光片之后，在第一平面内保持平行，在第二平面内被发散，其中所述第一平面垂直于第二平面。

9.一种可用于激光雷达的光发射单元，包括：

激光器阵列，包括多个激光器，配置成发射出探测光束；

光学整形单元，设置在所述激光器阵列的光路下游，配置成接收所述激光器发射出的探测光束并进行整形；和

如权利要求1-8中任一项所述的匀光片，设置在所述光学整形单元的光路下游，配置成从所述准直单元接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射。

10.如权利要求8所述的光发射单元，其中所述光学整形单元包括准直透镜或准直透镜组，所述激光器包括VCSEl激光器，所述激光器阵列包括多列激光器，每次驱动其中一列激光器发光。

11.一种激光雷达，包括：：

如权利要求9或10所述的光发射单元；

接收单元，配置成接收所述光发射单元发射的探测光束在障碍物上反射后的回波；

处理单元，耦接到所述光发射单元和接收单元，配置成根据所述回波的飞行时间或相位获取所述障碍物的距离。

12.如权利要求11所述的激光雷达，其中所述激光雷达为固态激光雷达。

13.一种固态激光雷达，包括：：

光发射单元，包括：

激光器阵列，包括多个激光器，配置成发射出探测光束；

光学整形单元，设置在所述激光器阵列的光路下游，配置成接收所述激光器发射出的探测光束并进行整形；和

匀光片，设置在所述光学整形单元的光路下游，配置成从所述准直单元接收整形后的探测光束，并进行匀光后出射；

接收单元，配置成接收所述光发射单元发射的探测光束在障碍物上反射后的回波；

处理单元，耦接到所述光发射单元和接收单元，配置成根据所述回波的飞行时间获取所述障碍物的距离。

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