CN116400325B - 一种光发射组件及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光发射组件及激光雷达，光发射组件包括驱动板、至少两个发光阵列和至少两个折转元件组，至少两个折转元件组与至少两个发光阵列分别一一对应。各个发光阵列设置于驱动板的同一端边缘，发光阵列包括多个发光单元，使得发光阵列发射出一列光束。折转元件组设置于与自身对应的发光阵列的出光光路上，折转元件组包括至少一个折转元件，用于改变发光阵列发射出的一列光束的传播方向，使得发光阵列出射的光束补充在其它发光阵列中未发射出光束的发光单元对应的光束位置，以使得光发射组件发射出沿一维方向依次排列的多个光束。本发明应用于激光雷达能够提供高线数，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种光发射组件。本发明还涉及一种激光雷达。
背景技术
随着车辆自动驾驶的快速发展，对用于感知外界的各种传感器的要求越来越高，尤其是对自动驾驶至关重要的高性能的激光雷达的要求也越来越迫切。影响激光雷达应用于车辆前装市场的重要因素有线数即垂直分辨率以及体积，最初提高线数的方案是在垂直方向排列多个发光器件，因每个发光器件及其相应的驱动系统体积较大，因此对机械旋转雷达来说，在很长的时间内其线数限制在很小的范围，即使考虑多发射阵列交错排列，其线数也很难超过三位数。
后续其它方案的发展如MEMS微振镜、转镜以至于全固态方案等，提供了高线数的可能性，但目前还存在各种各样的问题，以至于很难在各个方面达到理想的要求。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种光发射组件，应用于激光雷达能够提供高线数，并且组件集成度高，体积小。本发明还提供一种激光雷达。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光发射组件，包括驱动板、至少两个发光阵列和至少两个折转元件组，至少两个所述折转元件组与至少两个所述发光阵列分别一一对应；
各个所述发光阵列设置于所述驱动板的同一端边缘，所述发光阵列包括多个发光单元，使得所述发光阵列发射出一列光束；
所述折转元件组设置于与自身对应的所述发光阵列的出光光路上，所述折转元件组包括至少一个折转元件，所述折转元件组用于改变所述发光阵列发射出的一列光束的传播方向，使得所述发光阵列出射的光束补充在其它所述发光阵列中未发射出光束的所述发光单元对应的光束位置，以使得所述光发射组件发射出沿一维方向依次排列的多个光束。
可选地，所述驱动板包括多个所述驱动板，任一所述驱动板设置有至少一个所述发光阵列。
可选地，多个所述驱动板并排布置。
可选地，所述驱动板包括基板、驱动电路和选通器件，所述驱动电路、所述选通器件分别设置于所述基板上，所述发光阵列的每一所述发光单元通过与自身对应的所述选通器件与所述驱动电路连接，所述选通器件用于控制所述发光单元与所述驱动电路接通，以控制所述发光单元发射出光束。
可选地，所述折转元件组包括至少两个所述折转元件，所述发光阵列发射出的一列光束依次经各个所述折转元件反射或者折射后发射出。
可选地，所述折转元件为通过将光束反射来改变光束的传播方向的反射元件，或者为通过将光束折射来改变光束的传播方向的折射元件。
可选地，还包括设置于所述发光阵列的出光光路上的第一光束整形元件，所述第一光束整形元件用于将所述发光阵列发射出的光束的快轴发散角进行压缩。
可选地，还包括设置于所述折转元件组的出光光路上的第二光束整形元件，所述第二光束整形元件用于将光束的快轴发散角以及慢轴发散角进行压缩。
一种激光雷达，包括以上所述的光发射组件。
可选地，还包括设置于所述折转元件组的出光光路上的微振镜，所述微振镜用于将所述折转元件组出射的多个光束反射出，使得所述光发射组件沿一维方向的线数增加。
可选地，还包括光接收组件，所述光接收组件包括至少两个探测阵列，所述探测阵列包括多个探测单元。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光发射组件，包括驱动板、至少两个发光阵列和至少两个折转元件组，至少两个折转元件组与至少两个发光阵列分别一一对应。各个发光阵列设置于驱动板的同一端边缘，发光阵列包括多个发光单元，使得发光阵列发射出一列光束。折转元件组设置于与自身对应的发光阵列的出光光路上，折转元件组包括至少一个折转元件，折转元件组用于改变发光阵列发射出的一列光束的传播方向，使得发光阵列出射的光束补充在其它发光阵列中未发射出光束的发光单元对应的光束位置，以使得光发射组件发射出沿一维方向依次排列的多个光束。
本发明的光发射组件通过将其包括的多个发光阵列发射出的光束汇合，将各个发光阵列发射出的光束互相补充，使得本光发射组件可以发射出沿一维方向依次排列的多个光束，应用于激光雷达能够提供高线数，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小。
本发明提供的一种激光雷达，能够达到上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种光发射组件的示意图；
图2为对图1所示的光发射组件从光束出射方向反向观察的示意图；
图3为本发明又一实施例提供的一种光发射组件的示意图；
图4为本发明一实施例提供的一种光发射组件的驱动板的示意图；
图5为图4所示的发光阵列发射出光束的光斑示意图；
图6为本发明又一实施例提供的一种光发射组件的驱动板的示意图；
图7为图6所示的两个发光阵列发射出的光束光斑；
图8为本发明又一实施例提供的一种光发射组件的示意图；
图9为对图8所示的光发射组件从与发光阵列平行的方向观察的示意图；
图10为本发明一实施例提供的一种激光雷达的示意图；
图11(a)为本发明实施例中微振镜为第一种模式时发射出的光束扫描的示意图；
图11(b)为本发明实施例中微振镜为第二种模式时发射出的光束扫描的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
驱动板-100，第一发光阵列-201，第二发光阵列-202，第一光束整形元件-300，第一折转元件-401，第三折转元件-402，第二折转元件-501，第四折转元件-502，第二光束整形元件-600，目标区域-700，微振镜-800；
基板-101，驱动电路-102，选通器件-103，第一驱动板-104，第二驱动板-105。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在激光雷达领域，在现有技术中，提高线数的方案是在垂直方向排列多个发光器件，比如LD，但是因每个发光器件及其相应的驱动系统体积较大，不能满足激光雷达对光发射组件体积小的要求。
基于边缘发射激光器的发光阵列芯片，可以发射出在一维方向排列的一列光束，但是在实际生产制造中，尤其是对于应用于激光雷达的高功率发光阵列芯片，其单通道良率就比较低，多通道发光阵列芯片尤其是十通道以上的阵列芯片良品率更低。因此，如果在激光雷达的光发射组件中使用单条发光阵列芯片，来提供多线数，良率以及成本无法达到要求，使用单条发光阵列芯片无法达到所要求的线数要求。比如，单条发光阵列芯片本身包括N个发光单元，原理上该单条发光阵列芯片可以发射出N个光束，但是在实际生产制造中如单个发光单元的良率为n，则实际生产出的单条发光阵列芯片理论上的良率为n^N，会低到无法接受。针对此，本实施例提供一种光发射组件，应用于激光雷达，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小，且几乎整个晶圆上的发光点都可以充分利用。
本实施例提供的一种光发射组件，包括驱动板、至少两个发光阵列和至少两个折转元件组，至少两个所述折转元件组与至少两个所述发光阵列分别一一对应；
各个所述发光阵列设置于所述驱动板的同一端边缘，所述发光阵列包括多个发光单元，使得所述发光阵列发射出一列光束；
所述折转元件组设置于与自身对应的所述发光阵列的出光光路上，所述折转元件组包括至少一个折转元件，所述折转元件组用于改变所述发光阵列发射出的一列光束的传播方向，使得所述发光阵列出射的光束补充在其它所述发光阵列中未发射出光束的所述发光单元对应的光束位置，以使得所述光发射组件发射出沿一维方向依次排列的多个光束。
对于任一发光阵列包括多个发光单元，可以发射出一列光束。发光阵列发射出的一列光束入射至与自身对应的折转元件组，折转元件组包括的折转元件通过改变光束的传播方向。通过各个折转元件组的作用，将各个发光阵列发射出的光束汇合，形成最终发射出的沿一维方向依次排列的多个光束。
本实施例的光发射组件通过将其包括的多个发光阵列发射出的光束汇合，将各个发光阵列发射出的光束互相补充，使得本光发射组件可以发射出沿一维方向依次排列的多个光束，应用于激光雷达能够提供高线数，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小。
本实施例中，对发光阵列的数量、折转元件组的数量不做限定，对任一发光阵列包括的发光单元的数量不做限定，在实际应用中，可以根据激光雷达的线数要求以及对系统体积的要求进行设置。对于两个发光阵列，可以包括相同数量的发光单元，比如都包括N个发光单元。或者，两个发光阵列可以包括不同数量的发光单元，比如第一发光阵列包括M个发光单元，第二发光阵列包括N个发光单元。M、N分别为大于等于2的正整数。
本实施例中，对折转元件组包括的折转元件的数量、折转元件的布置位置不做限定，在实际应用中可以根据对光束的传播方向调整要求进行相应设置。对折转元件的类型不做限定，只要能够实现改变光束的方向即可。可选地，折转元件可以为通过将光束反射来改变光束的传播方向的反射元件，比如采用反射镜。或者，折转元件可以为通过将光束折射来改变光束的传播方向的折射元件，比如采用棱镜。
优选地，折转元件组可包括至少两个所述折转元件，所述发光阵列发射出的一列光束依次经各个所述折转元件后发射出，发光阵列发射出的一列光束依次地经过各个折转元件，每一折转元件可控制光束方向，折转元件组包括至少两个折转元件与采用一个折转元件相比，能够提高调整光束方向的灵活性。
示例性的可参考图1和图2，图1为一实施例提供的一种光发射组件的示意图，图2为对图1所示的光发射组件从光束出射方向反向观察的示意图，其中是以包括两个发光阵列即第一发光阵列201和第二发光阵列202为例说明的。如图所示，第一发光阵列201和第二发光阵列202设置于驱动板100的同一端边缘。
第一折转元件组设置于第一发光阵列201的出光光路上，第一折转元件组具体包括第一折转元件401和第二折转元件501。第一发光阵列201发射出的一列光束依次经第一折转元件401、第二折转元件501反射后发射出。其中，第一折转元件401与光束光轴呈45°角布置，使反射的光束垂直向上出射；第二折转元件501与光束光轴呈45°角布置，使光束经第二折转元件501反射后向水平方向出射。
第二折转元件组设置于第二发光阵列202的出光光路上，第二折转元件组具体包括第三折转元件402和第四折转元件502。第二发光阵列202发射出的一列光束依次经第三折转元件402、第四折转元件502反射后发射出。同样的，第三折转元件402与光束光轴呈45°角布置，使反射的光束垂直向上出射；第四折转元件502与光束光轴呈45°角布置，使光束经第四折转元件502反射后向水平方向出射。
在图1和图2所示的光发射组件中，是以折转元件组包括的折转元件为反射元件为例进行说明的。在其它实施例中，折转元件组包括的折转元件也可以是通过将光束折射来改变光束方向的折射元件。示例的可参考图3，图3为又一实施例提供的一种光发射组件的示意图，如图所示，第一折转元件组设置于第一发光阵列201的出光光路上，第一折转元件组具体包括第一折转元件401和第二折转元件501。第一发光阵列201发射出的一列光束依次经第一折转元件401、第二折转元件501折射后发射出。第二折转元件组设置于第二发光阵列202的出光光路上，第二折转元件组具体包括第三折转元件402和第四折转元件502。第二发光阵列202发射出的一列光束依次经第三折转元件402、第四折转元件502折射后发射出。使得第一发光阵列201的光束和第二发光阵列202的光束汇合并互相补充，形成沿一维方向排列的光束阵列。其中，第一折转元件401和第二折转元件501采用棱镜，第三折转元件402和第四折转元件502采用棱镜。
优选地，光发射组件还可包括设置于所述发光阵列的出光光路上的第一光束整形元件，所述第一光束整形元件用于将所述发光阵列发射出的光束的快轴发散角进行压缩。通过第一光束整形元件对发光阵列发射出的光束在快轴的大发散角进行初步的整形。示例性的可参考图1和图3所示，第一发光阵列201发射出的光束通过与自身对应设置的第一光束整形元件300后发射出。第二发光阵列202发射出的光束通过与自身对应设置的第一光束整形元件300后发射出。
优选地，本光发射组件还可包括设置于所述折转元件组的出光光路上的第二光束整形元件，所述第二光束整形元件用于将光束的快轴发散角以及慢轴发散角进行压缩。第二光束整形元件可以将光束在快轴和慢轴减小发散角，对光束在快轴和慢轴进行准直。示例性的可参考图1和图3所示，第二折转元件501出射的光束、第四折转元件502出射的光束分别入射至第二光束整形元件600，经第二光束整形元件600整形后出射到目标区域700。
本实施例中，对第一光束整形元件300、第二光束整形元件600的光学结构不做限定，第一光束整形元件300可采用但不限于柱面镜，第二光束整形元件600可采用但不限于非球面透镜。另外可选地，可以是各个发光阵列分别对应有各自对应的第一光束整形元件，或者，可以是各个发光阵列对应同一第一光束整形元件，即各个发光阵列对应的第一光束整形元件是一体式的。
本实施例中，对驱动板的结构不做限定，只要能够驱动发光阵列发射出光束即可。可选地，驱动板可包括基板、驱动电路和选通器件，所述驱动电路、所述选通器件分别设置于所述基板上，所述发光阵列的每一所述发光单元通过与自身对应的所述选通器件与所述驱动电路连接，所述选通器件用于控制所述发光单元与所述驱动电路接通，以控制所述发光单元发射出光束。驱动板设置有多个选通器件，发光阵列的每一发光单元具有与自身对应的选通器件。示例性的可参考图4，图4为一实施例提供的一种光发射组件的驱动板的示意图，其中是以包括两个发光阵列即第一发光阵列201和第二发光阵列202为例说明的。如图所示，驱动电路102、选通器件103以及第一发光阵列201、第二发光阵列201设置在基板101上。第一发光阵列201包括M个发光单元，通过M个选通器件103与驱动电路102连接，第二发光阵列202包括N个发光单元，通过N个选通器件103与驱动电路102连接。
相应的可参考图5，图5为图4所示的发光阵列发射出光束的光斑示意图，图5中的左图为图4所示的两个发光阵列发射出的光束的光斑，图5中的右图为图4所示的两个发光阵列发射出的光束经过折转元件组汇合后的光束光斑，可以看出两个发光阵列发射出的光束经过各自的折转元件组改变传播方向后汇合，第二发光阵列202发射出的一列光束补充在了第一发光阵列201发射出的一列光束中没有光束的位置。
优选地，驱动板可包括多个所述驱动板，任一所述驱动板设置有至少一个所述发光阵列。本实施例中，对包括的驱动板数量不做限定，对在同一驱动板上设置的发光阵列的数量不做限定。
优选地，多个所述驱动板可以并列布置。示例性的可参考图6，图6为又一实施例提供的一种光发射组件的驱动板的示意图，其中是以包括两个驱动板即第一驱动板104和第二驱动板105以及包括两个发光阵列即第一发光阵列201和第二发光阵列202为例说明的。如图所示，第一发光阵列201设置于第一驱动板104的一端边缘，第二发光阵列202设置于第二驱动板105的一端边缘。第一驱动板104和第二驱动板105并列布置。相应的可参考图7，图7为图6所示的两个发光阵列发射出的光束光斑，可以看出两个发光阵列发射出的两利光束并列。
相应的可参考图8和图9，图8为又一实施例提供的一种光发射组件的示意图，图9为对图8所示的光发射组件从与发光阵列平行的方向观察的示意图，图8和图9是对应图6所示的两个驱动板形成的光发射组件。如图所示，第一折转元件组具体包括第一折转元件401。第一发光阵列201发射出的一列光束经第一折转元件401反射后发射出。第二折转元件组具体包括第三折转元件402。第二发光阵列202发射出的一列光束经第三折转元件402反射后发射出。第一折转元件401和第三折转元件402采用反射镜。
在以上各实施例中，发光单元可以是边发射激光芯片，发光阵列为边发射激光芯片阵列。
本实施例的光发射组件，应用于激光雷达能够提供高线数，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小，成本低，使用此方案的激光雷达可以大幅提高垂直方向扫描线数，可轻松达到200线以上的高垂直分辨率。使用本方案的另外好处是：在通道同时拥有两个良好的发光点时，如果在使用中其中一个发光点意外失效：发光变弱或者完全不发光，此时可以通过配置通道选通开关来关闭当前发光点，同时启用备份发光点，从而避免雷达整体失效，延长雷达寿命。
本实施例还提供一种激光雷达，包括以上所述的光发射组件。
本实施例的激光雷达，采用的光发射组件通过将其包括的多个发光阵列发射出的光束汇合，将各个发光阵列发射出的光束互相补充，使得本光发射组件可以发射出沿一维方向依次排列的多个光束，应用于激光雷达能够提供高线数，能够满足高线数要求，并且组件集成度高，体积小。
进一步优选地，激光雷达还可包括设置于所述折转元件组的出光光路上的微振镜，所述微振镜用于将所述折转元件组出射的多个光束反射出，使得所述光发射组件沿一维方向的线数增加。在驱动板上的发光阵列集成度较低的情况下，若通过集成在驱动板上的各个发光阵列仍然没有达到所要求的垂直方向线数，可通过使用微振镜使得沿垂直方向的线数增加。可选地，微振镜可以是一维微振镜或者二维微振镜，或者可以组合使用两个一维微振镜，或者是一维微振镜和摆镜组合使用。示例性的可参考图10，图10为一实施例提供的一种激光雷达的示意图，如图所示在第二光束整形元件600的出光光路上设置有二维微振镜800。使用微振镜800可以进一步将垂直方向的线数成倍增加，提高垂直方向分辨率。可结合图10所示，通过控制微振镜800的反射镜面在两个轴向往复翻转从而将汇合后的阵列光束照射向不同的目标区域700，微振镜的每个轴向可以选择谐振模式(高速往复)或者线性模式(低速往复)。示例性的可参考图11(a)和11(b)所示，图11(a)为本实施例中微振镜为第一种模式时发射出的光束扫描的示意图，其中微振镜的两个轴都处于谐振模式。图11(b)为本实施例中微振镜为第二种模式时发射出的光束扫描的示意图，其中微振镜的垂直方向处于线性模式，水平方向处于谐振模式。
另外若在驱动板上的发光阵列集成度很高的情况下，如发光阵列本身具有足够多的发光点，已经达到要求的线数，此时可只使用一个一维光束扫描器件，如一维微振镜、转镜或者摆镜等，这样结构简化很多，同时光学接收孔径也会比较大，更利于远距离探测。
本实施例的激光雷达还可包括光接收组件，所述光接收组件包括至少两个探测阵列，所述探测阵列包括多个探测单元。光接收组件使用多个探测阵列互为补充，以便和光发射组件发出的多个光束一一对应。在实际应用中因为是表面接收，光路更简单一些。如没有良率问题可以只使用大单元的单个探测单元阵列，每个单元可以接收光发射组件同一个通道的两个发光点的回波；以及不同的光学元件布局方式以获得不同的出射方向。
在以上各实施例中，探测单元可以是雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，简称APD)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD)或者硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，简称SiPM)。
以上对本发明所提供的一种光发射组件及激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种光发射组件，其特征在于，包括驱动板(100)、至少两个发光阵列和至少两个折转元件组，至少两个所述折转元件组与至少两个所述发光阵列分别一一对应；
各个所述发光阵列设置于所述驱动板(100)的同一端边缘，所述发光阵列包括多个发光单元，使得所述发光阵列发射出一列光束；
所述折转元件组设置于与自身对应的所述发光阵列的出光光路上，所述折转元件组包括至少一个折转元件，所述折转元件组用于改变所述发光阵列发射出的一列光束的传播方向，使得所述发光阵列出射的光束补充在其它所述发光阵列中未发射出光束的所述发光单元对应的光束位置，以使得所述光发射组件发射出沿一维方向依次排列的多个光束。
2.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，所述驱动板(100)包括多个所述驱动板(100)，任一所述驱动板(100)设置有至少一个所述发光阵列。
3.根据权利要求2所述的光发射组件，其特征在于，多个所述驱动板(100)并排布置。
4.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，所述驱动板(100)包括基板(101)、驱动电路(102)和选通器件(103)，所述驱动电路(102)、所述选通器件(103)分别设置于所述基板(101)上，所述发光阵列的每一所述发光单元通过与自身对应的所述选通器件(103)与所述驱动电路(102)连接，所述选通器件(103)用于控制所述发光单元与所述驱动电路(102)接通，以控制所述发光单元发射出光束。
5.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，所述折转元件组包括至少两个所述折转元件，所述发光阵列发射出的一列光束依次经各个所述折转元件后发射出。
6.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，所述折转元件为通过将光束反射来改变光束的传播方向的反射元件，或者为通过将光束折射来改变光束的传播方向的折射元件。
7.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，还包括设置于所述发光阵列的出光光路上的第一光束整形元件(300)，所述第一光束整形元件(300)用于将所述发光阵列发射出的光束的快轴发散角进行压缩。
8.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，还包括设置于所述折转元件组的出光光路上的第二光束整形元件(600)，所述第二光束整形元件(600)用于将光束的快轴发散角以及慢轴发散角进行压缩。
9.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的光发射组件。
10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，还包括设置于所述折转元件组的出光光路上的微振镜(800)，所述微振镜(800)用于将所述折转元件组出射的多个光束反射出，使得所述光发射组件沿一维方向的线数增加。
11.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，还包括光接收组件，所述光接收组件包括至少两个探测阵列，所述探测阵列包括多个探测单元。
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