CN115754984A - 激光发射装置和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光发射装置和激光雷达，涉及激光雷达领域。激光发射装置包括多个激光芯片、转接透镜组件以及准直机构。转接透镜组件包括多个转接透镜，转接透镜为凸透镜，每个转接透镜分别对至少一个激光芯片发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率。准直机构间隔地设置于转接透镜组件背离激光芯片的一侧，其包括至少一个准直透镜，用于对透过转接透镜阵列的光线进行准直。激光发射装置在准直机构与激光芯片的距离保持不变的情况下，转接透镜能够在准直机构与激光芯片之间起到收束的作用，使得多个激光芯片发出的光线能够更多地投射至准直透镜，以提高光能利用率。激光雷达包括上述的激光发射装置，因此能够兼顾设备尺寸和光能利用率。

Description

激光发射装置和激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，具体而言，涉及一种激光发射装置和激光雷达。

背景技术

现阶段激光雷达使用的LD(Laser Diode，激光二极管)激光光源分为VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直共振腔面射型激光)和EEL(EdgeEmitting Laser，边发射激光器)两种。VCSEL垂直于芯片向上发光，为对轴的平面发光光源，更方便准直和布局。相关技术中，使用多个VCSEL芯片组成VCSEL芯片阵列，因此形成了多通道线阵排布的激光发射装置。激光芯片发出的光线需要经过准直透镜进行准直，焦距越长，准直效果越好。但焦距越大，准直透镜所需口径也会越大，来确保光能利用效率(即尽可能使激光芯片的发光完全被利用)。因而当设备体积大小有最大值限制时，那么焦距、准直透镜尺寸也基本被限制，就可能存在光能利用率不足的问题。

发明内容

本申请的目的包括提供一种激光发射装置和激光雷达，其能够提高光能利用率。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请提供一种激光发射装置，包括：

多个激光芯片；

转接透镜组件，包括多个转接透镜，转接透镜为凸透镜，每个转接透镜分别对至少一个激光芯片发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率；

准直机构，间隔地设置于转接透镜组件背离激光芯片的一侧，准直机构包括至少一个准直透镜，用于对透过转接透镜组件的光线进行准直。

在可选的实施方式中，转接透镜组件中的转接透镜与激光芯片一一对应；

或者，每个转接透镜分别对应一组激光芯片，每组激光芯片包括至少两个激光芯片。

在可选的实施方式中，激光芯片包括阵列设置的多个发光点，激光发射装置还包括多个微透镜阵列；

微透镜阵列与激光芯片一一对应，微透镜阵列设置于转接透镜与激光芯片之间；每个微透镜阵列均包括阵列设置的多个微透镜，微透镜阵列中的各个微透镜与对应的激光芯片中的各个发光点一一对应，并用于对发光点发出的光线进行收束。

在可选的实施方式中，微透镜阵列与激光芯片固定连接。

在可选的实施方式中，激光发射装置还包括第一连接结构，第一连接结构连接转接透镜组件与准直机构。

在可选的实施方式中，激光发射装置还包括电路板和第二连接结构，激光芯片设置于电路板，第二连接结构连接转接透镜组件与电路板。

在可选的实施方式中，转接透镜组件中的多个转接透镜一体成型。

在可选的实施方式中，转接透镜的焦距为1～5mm。

在可选的实施方式中，多个激光芯片呈多列设置，同一列中的各个激光芯片在第一方向上间隔排布，各列激光芯片在第二方向上间隔排布，第一方向垂直于第二方向；相邻两列的激光芯片在第一方向上错位设置。

在可选的实施方式中，多个激光芯片呈N列设置，同一列中的相邻两个激光芯片间隔距离L，相邻两列的激光芯片在第一方向上错位L/N，其中，N为大于1的正整数。

在可选的实施方式中，激光芯片为VCSEL芯片。

第二方面，本申请提供一种激光雷达，包括前述实施方式中任一项的激光发射装置。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

本申请提供的激光发射装置包括多个激光芯片、转接透镜组件以及准直机构。转接透镜组件包括多个转接透镜，转接透镜为凸透镜，每个转接透镜分别对至少一个激光芯片发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率。准直机构间隔地设置于转接透镜组件背离激光芯片的一侧，其包括至少一个准直透镜，用于对透过转接透镜阵列的光线进行准直。本申请提供的激光发射装置在准直机构与激光芯片的距离保持不变的情况下，转接透镜能够在准直机构与激光芯片之间起到收束的作用，使得多个激光芯片发出的光线能够更多地(或全部)投射至准直透镜，以提高光能利用率。换言之，在保证光能利用率以及准直机构与激光芯片间隔不变的情况下，由于增设的转接透镜组件具有收束作用，因此准直透镜的尺寸可以适当缩小，这样有利于设备的小型化。

本申请提供的激光雷达包括上述的激光发射装置，因此能够兼顾设备尺寸和光能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为相关技术中激光发射装置的光路示意图；

图2为本申请一种实施例中激光发射装置的示意图；

图3为本申请一种实施例中激光芯片、微透镜阵列和转接透镜的配合示意图；

图4为本申请一种实施例中激光发射装置的局部光路图；

图5为不设置微透镜阵列的情况下的亮斑形态；

图6为增设微透镜阵列的情况下的亮斑形态；

图7为本申请另一种实施例中激光发射装置的局部光路图；

图8为本申请一种实施例中转接透镜组件的设置示意图；

图9为本申请另一种实施例中转接透镜组件的设置示意图；

图10为本申请一种实施例中激光芯片的布置示意图。

图标：010-激光发射装置；100-激光芯片；101-电路板；110-发光点；200-准直机构；210-准直透镜；300-转接透镜组件；310-转接透镜；400-微透镜阵列；410-微透镜；500-第一连接结构；600-第二连接结构。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

图1为相关技术中激光发射装置的光路示意图。如图1所示，相关技术中的多个激光芯片100阵列设置(图中仅示出两个)，当激光芯片100排布方式以及与准直透镜210的距离确定后，其阵列内的单个发光通道(即单个芯片的发光)的准直角和相邻发光通道的通道夹角的大小就已经确定了。并且，当为了保证准直效果而将激光芯片100阵列与准直透镜210的距离设置的较大时，准直透镜210很可能无法完全接受激光芯片100发出的光，造成光能利用率不高的问题。如果需要保证光能利用率处于较高水平并且准直效果较好，则需要将准直透镜210的口径设置地较大，这显然不利于设备小型化。

为了改善上述相关技术中激光发射装置存在的至少一个不足之处，本申请实施例提供一种激光发射装置，通过在激光芯片与准直机构之间增设转接透镜组件，来提高光能利用率。

图2为本申请一种实施例中激光发射装置010的示意图。如图2所示，本申请实施例提供的激光发射装置010包括电路板101、多个激光芯片100、转接透镜组件300以及准直机构200。

本申请实施例中的激光芯片100为VCSEL(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，垂直共振腔面射型激光)，多个激光芯片100设置于电路板101上，形成了多个发光通道。

转接透镜组件300包括多个转接透镜310，转接透镜310为凸透镜，每个转接透镜310分别对至少一个激光芯片100发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率。无论是对光线进行收束还是调节单通道角分辨率，均可提高光能利用率。具体在图2的实施例中，转接透镜组件300中的转接透镜310与激光芯片100一一对应，每个转接透镜310分别对其对应的激光芯片100发出的光线进行收束。可选的，各个转接透镜组件300中的各个转接透镜310可以一体成型，比如通过模压等方式一次性成型相连的多个转接透镜310，使得转接透镜组件300为一体式结构，以提高转接透镜组件300的结构稳定性。可选的，各个转接透镜310处于同一平面，光轴相互平行，各个转接透镜310所处的平面与电路板101(或各个激光芯片100所在平面)平行。

准直机构200间隔地设置于转接透镜组件300背离激光芯片100的一侧，准直机构200包括至少一个准直透镜210，用于对透过转接透镜组件300的光线进行准直。在本实施例中，准直机构200对多个发光通道的光线进行准直，使得激光发射装置010最终发出的光线趋近于准直光。根据准直的需要，准直机构200可以包括一个准直透镜210，也可以包括两个以上的准直透镜210(各准直透镜参数可以相同或者不同)。在准直机构200包含多个准直透镜210的情况下，各个准直透镜210的光轴重合。

图3为本申请一种实施例中激光芯片100、微透镜阵列400和转接透镜310的配合示意图；图4为本申请一种实施例中激光发射装置010的局部光路图。如图3、图4所示，本实施例提供的激光芯片100包括阵列设置的多个发光点110，因此多个激光芯片100发出的光线实际上是由阵列设置的多个发光点110发出。应当理解，发光点110的尺寸相较于激光发射装置010或者激光芯片100小得多，但其严格意义上仍是发光体而非点光源。发光点110朝向准直机构200发出的光线呈发散状。通过在准直透镜210与激光芯片100之间增设转接透镜310组，能够在不改变通道夹角的前提下，调节单通道准直发散角。

本实施例中，激光发射装置010还包括多个微透镜阵列400，微透镜阵列400与激光芯片100一一对应，微透镜阵列400设置于转接透镜310与激光芯片100之间；每个微透镜阵列400均包括阵列设置的多个微透镜410，微透镜阵列400中的各个微透镜410与对应的激光芯片100中的各个发光点110一一对应，并用于对发光点110发出的光线进行收束。

微透镜410的焦距由发光点110间距和激光芯片100的有效发散角确定。由于微透镜410较为靠近激光芯片100，因此可以将微透镜阵列400与激光芯片100固定连接，换言之，可将微透镜阵列400集成在激光芯片100的封装上，作为窗口镜。由于激光芯片100可能需要通过打线进行电信号传输，因此当微透镜阵列400集成在激光芯片100的封装上作为窗口镜时，需要考虑激光芯片100的打线高度。由于金属引线的弧顶具有一定高度，因此在微透镜阵列400距离激光芯片100较近的情况下，应注意避让金属引线。

图5为不设置微透镜阵列400的情况下的亮斑形态；图6为增设微透镜阵列400的情况下的亮斑形态。除了对激光芯片100各个发光点110发出的光线进行收束之外，微透镜阵列400其同时具有匀光效果。若无微透镜阵列400时，单个激光芯片100内的每个发光点110被准直后，会存在不均匀的亮斑分布(如图5所示)；增加微透镜阵列400后，能扩大每个亮斑的范围，降低其光强分布不均匀性(如图6所示)。

从发光点110发出的发散光，在经过微透镜410、转接透镜310时被收束，如果不设置转接透镜310，那么处于边缘的激光芯片100发射出的光线则可能无法完全投射到准直机构200上，如图4中虚线部分所示。因此，通过增设转接透镜组件300，有利于将激光芯片100发出的光完全投射到准直机构200上，提高光能利用率；换言之，即便选用尺寸较小的准直透镜210，也能够满足较高的光能利用率，因此便于实现设备的小型化。

在图4实施例中，转接透镜310能够使成像增大并缩小准直透镜210所需口径。在其他实施例中，通过调整转接透镜310的位置、参数，转接透镜310也能够用于成像缩小，即在不改变像高的前提下，缩小单个发光通道的像面尺寸，减小单通道角分辨率。成像缩小时，会导致准直透镜210所需尺寸增大。图7为本申请另一种实施例中激光发射装置的局部光路图。如图7所示，在这种情况下，设置转接透镜310会同比例增加激光芯片100的发散角和准直透镜210的口径。

可选的，转接透镜310的焦距可选为1～5mm，口径为通道间隔。

上述实施例中，每个转接透镜310对应一个激光芯片100。在可选的其他实施例中，也可以令每个转接透镜310分别对应一组激光芯片100，每组激光芯片100包括至少两个激光芯片100，如此能够减小转接透镜310的数量，但需要增大转接透镜310的尺寸。

图8为本申请一种实施例中转接透镜组件300的设置示意图。如图8所示，为了提高转接透镜组件300的稳定性，激光发射装置010还可以包括第一连接结构500，第一连接结构500连接转接透镜组件300与准直机构200，使得转接透镜组件300与准直机构200保持相对固定。在这种情况下，组装时先将转接透镜组件300与准直机构200组装在一起，再将转接透镜组件300与准直机构200一起与搭载激光芯片100的电路板101组装。

图9为本申请另一种实施例中转接透镜组件300的设置示意图。如图9所示，在可选的实施方式中，转接透镜组件300还可以通过第二连接结构600连接于电路板101，使得转接透镜组件300与激光芯片100的位置保持相对固定。在这种情况下，组装时先将转接透镜组件300与搭载激光芯片100的电路板101组装在一起，再组装准直机构200。

图8、图9实施例中，第一连接结构500和第二连接结构600的具体结构形式、材料选择可以根据需要进行设计。比如，采用金属、塑料等材质的框架作为第一连接结构500或者第二连接结构600箍在转接透镜组件300的外围，再通过粘结剂与准直机构200或者电路板101连接。

应理解，在可选的其他实施例中，转接透镜组件300还可以通过更多的固定方式来固定。比如，激光发射装置010或者激光雷达包括壳体，转接透镜组件300直接固定于壳体。

在本申请实施例中，多个激光芯片100可呈多列设置，同一列中的各个激光芯片100在第一方向上间隔排布，各列激光芯片100在第二方向上间隔排布，第一方向垂直于第二方向；相邻两列的激光芯片100在第一方向上错位设置。进一步的，多个激光芯片100呈N列设置，同一列中的相邻两个激光芯片100间隔距离L，相邻两列的激光芯片100在第一方向上错位L/N，其中，N为大于1的正整数，例如：N的数值可以为4、5或者6等，当然并不限于此，N的数值也可以小于4，还可以大于6。图10为本申请一种实施例中激光芯片100的布置示意图。如图10所示，四个激光芯片100为一列，共有四列，每一列激光芯片100均与相邻一列的激光芯片100错开L/4。通过将每列激光芯片100错开L/N设置，能够将激光芯片100阵列整体在第一方向上的芯片间隔由原本的L等效压缩至L/N，从而提高在第一方向上的分辨率。

本申请实施例还提供一种激光雷达，包括本申请上述实施例提供的激光发射装置010。进一步的，激光雷达还可以包括其他用于实现雷达基本功能的部件或组件，比如还包括接收装置，用于接收目标物的反射光。

综上所述，本申请提供的激光发射装置010包括多个激光芯片100、转接透镜组件300以及准直机构200。转接透镜组件300包括多个转接透镜310，转接透镜310为凸透镜，每个转接透镜310分别对至少一个激光芯片100发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率。准直机构200间隔地设置于转接透镜组件300背离激光芯片100的一侧，其包括至少一个准直透镜210，用于对透过转接透镜310阵列的光线进行准直。本申请提供的激光发射装置010在准直机构200与激光芯片100的距离保持不变的情况下，转接透镜310能够在准直机构200与激光芯片100之间起到收束的作用，使得多个激光芯片100发出的光线能够更多地(或全部)投射至准直透镜210，以提高光能利用率。换言之，在保证光能利用率以及准直机构200与激光芯片100间隔不变的情况下，由于增设的转接透镜组件300具有收束作用，因此准直透镜210的尺寸可以适当缩小，这样有利于设备的小型化。

本申请提供的激光雷达包括上述的激光发射装置010，因此能够兼顾设备尺寸和光能利用率。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种激光发射装置，其特征在于，包括：

多个激光芯片；

转接透镜组件，包括多个转接透镜，所述转接透镜为凸透镜，每个所述转接透镜分别对至少一个所述激光芯片发出的光线进行收束或调节单通道角分辨率；

准直机构，间隔地设置于所述转接透镜组件背离所述激光芯片的一侧，所述准直机构包括至少一个准直透镜，用于对透过所述转接透镜组件的光线进行准直。

2.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述转接透镜组件中的所述转接透镜与所述激光芯片一一对应；

或者，每个所述转接透镜分别对应一组所述激光芯片，每组所述激光芯片包括至少两个所述激光芯片。

3.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光芯片包括阵列设置的多个发光点，所述激光发射装置还包括多个微透镜阵列；

所述微透镜阵列与所述激光芯片一一对应，所述微透镜阵列设置于所述转接透镜与所述激光芯片之间；每个所述微透镜阵列均包括阵列设置的多个微透镜，所述微透镜阵列中的各个所述微透镜与对应的所述激光芯片中的各个所述发光点一一对应，并用于对所述发光点发出的光线进行收束。

4.根据权利要求3所述的激光发射装置，其特征在于，所述微透镜阵列与所述激光芯片固定连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括第一连接结构，所述第一连接结构连接所述转接透镜组件与所述准直机构。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括电路板和第二连接结构，所述激光芯片设置于所述电路板，所述第二连接结构连接所述转接透镜组件与所述电路板。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述转接透镜组件中的多个所述转接透镜一体成型。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，所述转接透镜的焦距为1～5mm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的激光发射装置，其特征在于，多个所述激光芯片呈多列设置，同一列中的各个所述激光芯片在第一方向上间隔排布，各列所述激光芯片在第二方向上间隔排布，所述第一方向垂直于所述第二方向；相邻两列的所述激光芯片在所述第一方向上错位设置。

10.根据权利要求9所述的激光发射装置，其特征在于，多个所述激光芯片呈N列设置，同一列中的相邻两个所述激光芯片间隔距离L，相邻两列的所述激光芯片在所述第一方向上错位L/N，其中，N为大于1的正整数。

11.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-10中任一项所述的激光发射装置。

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