CN116299326A - 激光雷达 - Google Patents

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林建东
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Abstract

本发明提供一种激光雷达，包括激光发射单元和激光探测单元，激光发射单元包括FB激光器和准直光学透镜组，激光探测单元包括光电转换模块和聚光光学透镜组；FB激光器包括芯片支撑座和安装在芯片支撑座上的FB激光芯片，在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设有消光元件，消光元件用于防止激光从FB激光芯片的非出光面出射。从而通过在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设置消光元件，可以消除非出光面上的漏光经封装反射准直后在主光束周围形成超出探测范围的“杂散光”，提供激光雷达的探测精度。

Description

激光雷达
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达是通过向周围空间主动发射探测光束从而实现环境感知的雷达系统，具有对环境依赖度低、检测精度高、探测范围广等优点，被广泛应用于工业、交通、安防以及自动驾驶等领域，近年来得到了快速发展。
当前应用于激光雷达的光源一般为半导体激光器，半导体激光器包括FB激光器和VCSEL激光器，FB激光器相比于VCSEL激光器具有较高的光功率密度，可使激光雷达具有更远的探测能力，而被广泛的应用于激光雷达中。
然而FB激光器准直时，由于沿准直光学系统的光轴方向的谐振腔过长，会导致谐振腔内部光束经准直后在主光束周围形成超出探测范围的杂散光，对探测精度产生影响，制约了激光雷达的发展。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光雷达，以解决激光雷达存在的探测精度较低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括激光发射单元和激光探测单元，激光发射单元包括FB激光器和准直光学透镜组，激光探测单元包括光电转换模块和聚光光学透镜组；
FB激光器包括芯片支撑座和安装在芯片支撑座上的FB激光芯片，在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设有消光元件，消光元件用于防止激光从FB激光芯片的非出光面出射。
在一种可能的实现方式中，消光元件为采用低反射率材料制作成的遮挡件、低反射率涂层或低反射率粘接剂层。
在一种可能的实现方式中，消光元件由不透光胶水或不透光油墨制备而成。
在一种可能的实现方式中，光电转换模块包括光电转换芯片，光电转换芯片包括感光面和布设在感光面周围的电极，在电极上设置有消光材料层或低反射率材料层，或电极由低反射率的材料制备而成。
在一种可能的实现方式中，光电转换模块包括光电转换芯片，光电转换芯片包括感光面和布设在感光面周围的电极，在光电转换芯片的感光面与聚光光学透镜组之间设置有视场光阑，且视场光阑的口径Dl为：
Figure BDA0004085523760000021
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距，L为视场光阑与感光面之间的距离，Dd为感光面的直径。
在一种可能的实现方式中，当视场光阑与感光面之间的距离大于0时，在电极上还设置有消光材料层或低反射率材料层。
在一种可能的实现方式中，视场光阑的孔径侧壁的反射率为Re满足的条件为：
Re<th；
Figure BDA0004085523760000022
其中，Rth为电极允许的最大反射率，Ith为激光探测单元允许杂散光产生的最大电流，Pk1为聚光光学透镜组汇聚后打到电极上的峰值光功率，G为光电转换芯片的增益，α为经电极反射后进入感光面光功率与电极反射总光功率比例。
在一种可能的实现方式中，视场光阑的轴线与聚光光学透镜组的光轴同轴，且视场光阑的侧壁与其轴线呈夹角θ，其中θ满足的条件为：
Figure BDA0004085523760000023
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距。
在一种可能的实现方式中，准直光学透镜组的透镜表面设有减反膜，和/或聚光光学透镜组的透镜表面设有减反膜。
在一种可能的实现方式中，减反膜为多周期DBR膜。
本发明实施例提供一种激光雷达，通过在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设置消光元件，该消光元件可用于防止激光从FB激光芯片的非出光面出射。从而，可通过在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设置消光元件，消除FB激光芯片的非出光面的漏光进入到准直光学透镜组形成超出探测范围的杂散光，提高探测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的FB激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的FB激光器的出光方式；
图3是本发明实施例提供的光电转换模块的结构示意图；
图4a是本发明实施例提供的视场光阑与光电转换芯片的感光面距离大于0时的光路图；
图4b是本发明实施例提供的视场光阑与光电转换芯片的感光面距离等于0时的光路图；
图5是本发明实施例提供的视场光阑的侧壁与其轴线的夹角的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)的出光方向是垂直于顶面或衬底的激光器，其出光面为上表面。反馈激光器(Feedback Laser，FB)的出光方向是平行于顶面或衬底的激光器，其出光面为侧边。
正如背景技术中所描述的，FB激光器准直时，沿准直光学系统的光轴方向的谐振腔过长，导致谐振腔内部光束以及激光器的非出光面的漏光，经封装反射后经准直后会在主光束周围形成超出探测范围的“杂散光”，使得激光雷达接收端形成不同距离探测信号的叠加，对探测精度产生了较大的影响。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种激光雷达，下面对本发明实施例所提供的激光雷达进行介绍。
一种激光雷达，包括激光发射单元和激光探测单元，激光发射单元包括FB激光器和准直光学透镜组，激光探测单元包括光电转换模块和聚光光学透镜组。
如图1所示，FB激光器10包括芯片支撑座110和安装在芯片支撑座110上的FB激光芯片120。芯片支撑座110除具有支撑作用外，还可以同时为FB激光芯片120提供保护和电气连接的作用。
如图2所示，FB激光芯片120的出光面121为图1中标黑的部分，非出光面为与出光面121相对的背面，以及两个侧壁，这三个面均为非出光面。在FB激光芯片120的非出光面上或靠近FB激光芯片120非出光面的芯片支撑座110上设有消光元件，消光元件用于防止激光从FB激光芯片120的非出光面出射。
通过在FB激光芯片120的非出光面上设置消光元件，可以消除非出光面上的漏光经封装反射准直后在主光束周围形成超出探测范围的“杂散光”。或者通过在靠近FB激光芯片120非出光面的芯片支撑座110上设置消光元件，同样可以达到通过支撑座上的消光元件阻止非出光面上的漏光经封装反射准直后在主光束周围形成超出探测范围的“杂散光”，从而提高激光雷达的探测精度。
在一些实施例中，消光元件可以为采用低反射率材料制作成的遮挡件、低反射率涂层或低反射率粘接剂层。其中，遮挡件、低反射率涂层或低反射率粘接剂层的尺寸不小于非出光面的尺寸，从而保证非出光面发射出的漏光无法出射。
在此实施例中，消光元件可以由不透明胶水、不透明油墨制备而成。
示例性的，可以在FB激光芯片的非出光面上设置低反射率涂层、低反射率粘接剂层或遮挡件。
此外，为了进一步提高激光雷达的探测精度，还可在激光探测单元内也设置一种消光元件，为了与上面的消光元件进行区分，此处称为第二消光元件。第二消光元件用于对激光雷达探测单元的视场限制，以消除视场外的干扰光对探测信号的影响。
如图3所示，激光探测单元内的光电转换模块20包括位于光电转换保护座220上的光电转换芯片210，如图3所示，光电转换芯片210包括感光面211和布设在感光面周围的电极212。感光面211周围的电极212具有较高的反射率，当超出视场的光束打到电极上时，光束经电极反射后会在封装内部经过多次反射，最后被探测器探测到，进而影响探测精度。
因此，可在光电转换芯片210上设置第二消光元件，也可以在位于光电转换芯片的感光面211与聚光光学透镜组之间设置第二消光元件。
在一些实施例中，可在光电转换芯片210的电极212上设置一层消光材料层或低反射率材料层，或可以采用由低反射率的材料制备而成的电极212。从而可以降低电极的反射率，减少打到电极上的光束被反射出去，最大程度消除光电转换芯片的电极对探测精度的影响。
在一些实施例中，还可在光电转换芯片的感光面与聚光光学透镜组之间设置一视场光阑213，同样可以对视场外角度的光束起到隔离作用。
在此实施例中，可以通过调整视场光阑213的口径，从而很好地达到对视场外角度的光束的隔离。
视场光阑213的口径Dl为：
Figure BDA0004085523760000061
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距，L为视场光阑与感光面之间的距离，Dd为感光面的直径。
如图4a和4b所示，图4a示出了当视场光阑213与感光面211之间的距离大于0时的光路图，图4b示出了当视场光阑213与感光面211之间的距离等于0时的光路图，图4a和4b中的实线为经过感光面211的光路，虚线为经过电极212的光路。
从图4a可以看出，当视场光阑213与感光面211之间的距离大于0时，仍会有部分超出视场的干扰光束打到电极212上，也会形成干扰光束。因此，为了进一步消除干扰光束，可在电极212上还设置有消光材料层或低反射率材料层。
在一些实施例中，还可以通过设置视场光阑213的孔径侧壁的反射率，从而进一步消除干扰光。
视场光阑213的孔径侧壁的反射率为Re，Re满足的条件为：
Re＜Rth；
Figure BDA0004085523760000062
其中，Rth为电极允许的最大反射率，Ith为激光探测单元允许杂散光产生的最大电流，Pk1为聚光光学透镜组汇聚后打到电极上的峰值光功率，G为光电转换芯片的增益，α为经电极反射后进入感光面光功率与电极反射总光功率比例。
在一些实施例中，视场光阑213的轴线与聚光光学透镜组的光轴同轴，还可以通过设置视场光阑213的侧壁与其轴线的夹角，从而进一步消除干扰光。
如图5所示，视场光阑213的侧壁与其轴线呈夹角θ，其中θ满足的条件为：
Figure BDA0004085523760000071
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距。
在一些实施例中，为了降低准直光学透镜组的透镜元件与FB激光器10之间的多次反射，可在准直光学透镜组的透镜表面设置减反膜。
在此实施例中，减反膜可以为多周期DBR膜，该DBR膜为四分之一波长厚度的高低折射率交替排布的膜层。
在一些实施例中，为了降低聚光光学透镜组的透镜元件与光电转换芯片210之间的多次反射，可在聚光光学透镜组的透镜表面也设置减反膜。
在此实施例中，减反膜也可以为多周期DBR膜，该DBR膜为四分之一波长厚度的高低折射率交替排布的膜层。
本发明通过在FB激光芯片的非出光面上或靠近FB激光芯片非出光面的芯片支撑座上设置消光元件，消除FB激光芯片的非出光面的漏光进入到准直光学透镜组形成超出探测范围的杂散光。此外，还可以通过在光电转换模块中设置第二消光元件，该第二消光元件可以是设置在光电转换芯片的电极上的一层消光材料层，也可以由低反射率的材料制备而成的电极充当，还可以为在光电转换芯片的感光面与聚光光学透镜组之间设置的视场光阑，都可以消除视场外的干扰光对探测信号的影响。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达，包括激光发射单元和激光探测单元，所述激光发射单元包括FB激光器和准直光学透镜组，所述激光探测单元包括光电转换模块和聚光光学透镜组；其特征在于：
所述FB激光器包括芯片支撑座和安装在所述芯片支撑座上的FB激光芯片，在所述FB激光芯片的非出光面上或靠近所述FB激光芯片非出光面的所述芯片支撑座上设有消光元件，所述消光元件用于防止激光从所述FB激光芯片的非出光面出射。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述消光元件为采用低反射率材料制作成的遮挡件、低反射率涂层或低反射率粘接剂层。
3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述消光元件由不透光胶水或不透光油墨制备而成。
4.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光电转换模块包括光电转换芯片，所述光电转换芯片包括感光面和布设在所述感光面周围的电极，在所述电极上设置有消光材料层或低反射率材料层，或所述电极由低反射率的材料制备而成。
5.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光电转换模块包括光电转换芯片，所述光电转换芯片包括感光面和布设在所述感光面周围的电极，在所述光电转换芯片的感光面与所述聚光光学透镜组之间设置有视场光阑，且所述视场光阑的口径Dl为：
Figure FDA0004085523730000011
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距，L为视场光阑与感光面之间的距离，Dd为感光面的直径。
6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，当所述视场光阑与所述感光面之间的距离大于0时，在所述电极上还设置有消光材料层或低反射率材料层。
7.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述视场光阑的孔径侧壁的反射率为Re，Re满足的条件为：
Re<Rth；
Figure FDA0004085523730000021
其中，Rrh为所述电极允许的最大反射率，Ith为激光探测单元允许杂散光产生的最大电流，Pk1为聚光光学透镜组汇聚后打到电极上的峰值光功率，G为光电转换芯片的增益，α为经电极反射后进入感光面光功率与电极反射总光功率比例。
8.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述视场光阑的轴线与所述聚光光学透镜组的光轴同轴，且所述视场光阑的侧壁与其轴线呈夹角θ，其中θ满足的条件为：
Figure FDA0004085523730000022
其中，Dlen为聚光光学透镜组的有效光学口径，f为聚光光学透镜组的焦距。
9.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述准直光学透镜组的透镜表面设有减反膜，和/或所述聚光光学透镜组的透镜表面设有减反膜。
10.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述减反膜为多周期DBR膜。
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