CN115224588A - 一种基于vcsel阵列的激光雷达光学系统 - Google Patents

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韩佳晖
贾成真
穆永吉
胡伟圣
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Abstract

本发明设计的基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，包括发光单元和准直单元，发光单元具体为VCSEL阵列即垂直腔面发射激光器阵列，VCSEL阵列包括若干组激光器单元，每组激光器单元包括若干激光器，准直单元包括微透镜阵列和长焦距透镜，微透镜阵列包括与激光器单元对应的微透镜单元，微透镜单元包括与激光器一一对应的微透镜，通过利用与VCSEL阵列单元一一对应的微透镜阵列将每个独立的发光孔进行NA数值孔径的压缩，再利用一个长焦距透镜对VCSEL阵列的每个独立发光孔进行准直，使出射光束达到需要的出光方向以及发散角，该设计方案可以使用在不同系统范围内，包括但不限于激光雷达、3D成像系统、人脸识别系统等领域。

Description

一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统
技术领域
本发明涉及车载激光雷达领域，具体而言涉及一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统。
背景技术
目前采用线形扫描系统大多采用边发射激光器，边发射激光器具有发光面小，功率高等特点，但需要贴片等工艺进行高精度装调，给量产带来不少难度，VCSEL阵列芯片可以避免贴片等工艺，具有易集成为大面积阵列、单纵模输出等优点，但是VCSEL芯片发光单元为了达到激光雷达使用功率要求，必须增大单元的发光面积，这就会造成激光雷达发射端准直后光斑尺寸过大，造成雷达转镜高度、宽度都会过大，也影响收发光路的分离。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统。本发明具体采用如下技术方案。
为实现上述目的，提出一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，包括发光单元和准直单元，发光单元具体为VCSEL阵列即垂直腔面发射激光器阵列，VCSEL阵列包括若干组激光器单元，每组激光器单元包括若干激光器，准直单元包括微透镜阵列和长焦距透镜，VCSEL阵列发出的光束经微透镜阵列整形后由长焦距透镜准直，微透镜阵列包括与激光器单元对应的微透镜单元，微透镜单元包括与激光器一一对应的微透镜，激光器所发出光束的高斯光束束腰为ωo，远场发射角的为θ，与激光器对应的微透镜焦距为ωo除以Tan(θ)，微透镜焦距控制在0.03-0.2mm。
作为优选，VCSEL阵列的排布高度为5-30mm。
作为优选，长焦距透镜的焦距为60-150mm。
作为优选，与激光器一一对应的微透镜分为两块，均为微柱透镜，一块微柱透镜水平设置，另一块微柱透镜垂直设置。
本发明设计的基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，通过利用与VCSEL阵列单元一一对应的微透镜阵列将每个独立的发光孔进行NA数值孔径的压缩，再利用一个长焦距透镜对VCSEL阵列的每个独立发光孔进行准直，使出射光束达到需要的出光方向以及发散角，该设计方案可以使用在不同系统范围内，包括但不限于激光雷达、3D成像系统、人脸识别系统等领域。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统的封装示意图；
图2为本发明设计实施例中准直光路原理图；
图3为本发明设计实施例经微透镜阵列整形后光束角度空间能量分布图；
图4为本发明设计实施例经准直透镜后光束角度空间能量分布图。
图中：1、激光器；2、微透镜；3、VCSEL阵列；4、微透镜阵列；5、长焦距透镜；6、调整后光束。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
下面描述根据本发明实施例的一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，参照图1，包括发光单元和准直单元，发光单元具体为VCSEL阵列即垂直腔面发射激光器阵列，VCSEL阵列包括若干组激光器单元，每组激光器单元包括若干激光器，准直单元包括微透镜阵列和长焦距透镜，VCSEL阵列发出的光束经微透镜阵列整形后由长焦距透镜准直，微透镜阵列包括与激光器单元对应的微透镜单元，微透镜单元包括与激光器一一对应的微透镜，激光器所发出光束的高斯光束束腰为ωo，远场发射角的为θ，与激光器对应的微透镜焦距为ωo除以Tan(θ)，微透镜焦距控制在0.03-0.2mm。
作为优选，VCSEL阵列的排布高度为5-30mm。
作为优选，长焦距透镜的焦距为60-150mm。
作为优选，与激光器一一对应的微透镜分为两块，均为微柱透镜，一块微柱透镜水平设置，另一块微柱透镜垂直设置，实现与行/列发光面的对应，一次处理一个方向的光源，处理效果更好。
实施例1
当前生产VCSEL阵列包括规则与不规则阵列芯片，考虑到需要保证后端透镜阵列与VCSEL发光光源一一对应，随机阵列排布对于后端透镜阵列公差范围小、加工难度大且造价昂贵，本发明涉及的设计方案只针对规则排列VCSEL阵列光束设计方案，产品参数设置为每个发光微孔出射光束波长为905nm，峰值发光功率为70W，微发光孔物理直径为15um，全角发散角为20度，整个发光单元直径为250um，光强分布为单模高斯分布，在设计准直系统前，先计算出每个发光微孔即量子阱谐振腔的所发出光束的高斯光束束腰，下面是计算高斯光束束腰的相关公式：
物理光学中高斯光束的锐利距离ZR为
Figure BDA0003694313600000031
远场发散角θ的正切值为
Figure BDA0003694313600000032
ωo为高斯光束束腰，λ为波长。
本设计实例中发散角为20度，根据以上公式可以得到单模高斯光束束腰直径为0.76um，部分VCSEL产品出光光束也有多模高斯分布，这种情况下束腰直径就会增加，根据具体的光强分布以及功率大小，谐振腔直径范围大概为5-12um，从压缩NA角度考虑，高斯光束束腰尺寸越小越容易压缩。
参照图2，该光路准直原理为先用与VCSEL阵列内微发光孔一一对应的微透镜阵列进行整形，实现光束发散角度的压缩，压缩后各发光孔共用一个长焦距透镜进行准直，方案布局采用不同物高的VCSEL组合垂直排布，准直后的光束以不同的指向性出射，在垂直方向实现线形光束，经微透镜阵列整形后及经准直透镜后光束角度空间能量分布图如图3和图4所示。
微透镜阵列的作用是先把微发光孔，即量子阱发出光束的发散角度进行压缩，实现在同样的长焦距透镜参数的情况下使得待准直光束入射到长焦距透镜时光束截面积尽量小；长焦距透镜将经过微透镜阵列后的光束进行准直，为了使不同的VCSEL阵列准直后光束在出瞳位置处光斑尺寸最小，本该设计实例，所有透镜均为利用光学设计软件设置的理想透镜，目的是用于该准直系统的原理说明，不具体设计准直透镜的材料、曲率半径、中心厚度等透镜参数，在VCSEL是单模高斯光束情况下，利用焦距为0.03-0.2mm左右的微透镜，较容易将微发光孔的NA压缩到0.001左右，在VCSEL是多模高斯光束情况下，利用焦距为0.2mm的微透镜，可以将直径为0.008mm的微发光孔NA压缩到0.02左右，在本设计实例理想透镜设计参数具体如下：1.微透镜设计参数为：焦距0.2mm，口径为0.02mm；2.长焦距透镜设计参数为：焦距60mm，口径为24mm；
本实施例中，等效焦距最低值由微发光孔直径和二级准直后对光束发散角的要求共同确定，例如微发光孔直径0.008mm，二级准直后发散角为0.2度，那么等效焦距最低为0.008/tan(0.2)＝2.29mm；传统的准直系统经过理论计算和软件设计，准直前后光斑大小控制在22mm；
本实施例中，轴上VCSEL阵列，即中心位置处，经过准直后，光斑半高宽发散角为0.18度，见图3，光斑在出瞳处直径为2.1mm，光束主光线角度为0度，离轴1mm的VCSEL阵列，经过二级准直后，光斑半高宽发散角为0.19度，见图4，光斑在出瞳处直径为2.08mm，主光线出光角度为0.95度，本实施例中，不同离轴位置的VCSEL阵列准直后可以形成不同出射角度的准直光束，当设置VCSEL阵列的最边缘离轴位置是正负15mm，此时系统出射光束的角度可以达到正负12.5度，基本满足当前大部分远距离探测激光雷达探测光束在竖直方向扫描角度的要求，可选的，受探测角度影响，VCSEL的排布高度可选为5mm-30mm。
本发明设计的基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，通过利用与VCSEL阵列单元一一对应的微透镜阵列将每个独立的发光孔进行NA数值孔径的压缩，再利用一个长焦距透镜对VCSEL阵列的每个独立发光孔进行准直，使出射光束达到需要的出光方向以及发散角，该设计方案可以使用在不同系统范围内，包括但不限于激光雷达、3D成像系统、人脸识别系统等领域。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，其特征在于，包括发光单元和准直单元， 发光单元具体为VCSEL阵列即垂直腔面发射激光器阵列，VCSEL阵列包括若干组激光器单 元，每组激光器单元包括若干激光器，准直单元包括微透镜阵列和长焦距透镜，VCSEL阵列 发出的光束经微透镜阵列整形后由长焦距透镜准直，微透镜阵列包括与激光器单元对应的 微透镜单元，微透镜单元包括与激光器一一对应的微透镜，激光器所发出光束的高斯光束 束腰为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，远场发射角的为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，与激光器对应的微透镜焦距为
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
除以Tan（
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
），微透镜焦距 控制在0.03-0.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，其特征在于，VCSEL阵列的排布高度为5-30mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，其特征在于，长焦距透镜的焦距为60-150mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列的激光雷达光学系统，其特征在于，与激光器一一对应的微透镜分为两块，均为微柱透镜，一块微柱透镜水平设置，另一块微柱透镜垂直设置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115754984A (zh) * 2022-11-22 2023-03-07 北醒（北京）光子科技有限公司 激光发射装置和激光雷达

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