CN118112588A - 激光雷达及可移动设备 - Google Patents

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Suteng Innovation Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种激光雷达及可移动设备，该激光雷达包括透镜和光芯片，透镜的光轴沿第一预设方向延伸，透镜用于接收回波信号，并将回波信号输出至光芯片；光芯片与透镜沿第一预设方向间隔设置，光芯片包括包层以及嵌设于包层的多个接收波导芯层，所有接收波导芯层位于包层靠近透镜的一端且沿第二预设方向间隔排布，第二预设方向与第一预设方向相交，每一接收波导芯层具有相对的第一端面与第二端面，第一端面较第二端面更靠近透镜，第一端面用于接收透镜输出的回波信号；至少一接收波导芯层的第一端面与透镜的焦平面之间具有间距。该设计能够有效提高回波信号的最低光耦合效率，从而提升激光雷达的光探测性能。

Description

激光雷达及可移动设备
技术领域
本申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及激光雷达及可移动设备。
背景技术
激光雷达是通过探测目标物体的散射光特性来获取目标物体的相关信息的光学遥感技术。激光雷达具有高测量精度、精细的时间和空间分辨率等优点，能够完成测绘、跟踪和成像识别等功能，其在智能交通、自动驾驶、地理测绘、大气环境监测和无人机等领域具有广阔的应用前景。激光雷达包括脉冲激光雷达和相干激光雷达，而相干激光雷达进一步包括调频连续波激光雷达。
针对调频连续波激光雷达而言，相关技术中的调频连续波激光雷达通过扫描器件对探测信号的方向进行偏转；如此，在激光雷达接收经由目标物体反射的探测信号而形成的回波信号时，扫描器件相较于探测信号出射时已经偏转了一个角度(也即扫描器件在探测信号的飞行时间内会发生角度偏转)，因此回波信号落在激光雷达内部的光接收器件上的具体位置会随探测距离(探测距离与飞行时间呈正相关)的不同而有所不同。为便于说明，本申请文件将上述效应称为激光雷达的走离效应。这种走离效应不仅影响光的收集效率，使光耦合效率降低，甚至可能使得激光雷达丧失探测信号光的能力，即回波信号的最低光耦合效率接近于0，从而影响激光雷达的整体性能。
发明内容
本申请实施例提供一种激光雷达及可移动设备，以改善相关技术中因走离效应导致的回波信号的最低光耦合效率较低的现状。
第一方面，本申请实施例提供了一种激光雷达；该激光雷达包括透镜和光芯片，透镜的光轴沿第一预设方向延伸，透镜用于接收回波信号，并将回波信号输出至光芯片，回波信号由激光雷达发射的探测信号经目标物体反射或者散射形成；光芯片与透镜沿第一预设方向间隔设置，光芯片包括包层以及嵌设于包层的两个以上接收波导芯层，所有接收波导芯层位于包层靠近透镜的一端且沿第二预设方向间隔排布，第二预设方向与第一预设方向相交，每一接收波导芯层具有相对的第一端面与第二端面，第一端面较第二端面更靠近透镜，第一端面用于接收透镜输出的回波信号；至少一接收波导芯层的第一端面与透镜的焦平面之间具有间距。
基于本申请实施例中的激光雷达，通过设计至少一个接收波导芯层的第一端面与透镜的焦平面之间存在间距，相较于将接收波导芯层的第一端面设计成与透镜的焦平面共面而言，使得透镜输出的回波信号在透镜的第二光面侧所形成的光斑，其实际落在光芯片的光斑面积更大，如此，当光斑移动至相邻两个接收波导芯层之间时，落在接收波导芯层上的面积占光斑的总面积之比将更大，因此能够提高回波信号的光耦合效率，从而提升该激光雷达的光探测性能。
第二方面，本申请实施例提供了一种可移动设备，该可移动设备包括上述的激光雷达。
基于本申请实施例中的可移动设备，具有上述激光雷达的可移动设备，由此，该可移动设备亦可以改善相关技术中因走离效应导致的回波信号的最低光耦合效率较低的现状。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请一种实施例中的接收波导芯层的第一端面相较于透镜的焦平面更靠近透镜时的光斑成像示意图；
图2为本申请一种实施例中的接收波导芯层的第一端面相较于透镜的焦平面更靠近透镜的结构示意图；
图3为本申请一种实施例中的接收波导芯层的第一端面相较于透镜的焦平面更远离透镜时的光斑成像示意图；
图4为本申请一种实施例中的接收波导芯层的第一端面相较于透镜的焦平面更远离透镜的结构示意图；
图5为本申请不同离焦距离下透镜输出的回波信号的光耦合效率的曲线示意图；
图6为图5中的曲线S2对应的光斑落在光芯片的端面上的结构示意图；
图7为图5中的曲线S3对应的光斑落在光芯片的端面上的结构示意图；
图8为图5中的曲线S4对应的光斑落在光芯片的端面上的结构示意图；
图9为本申请一种实施例中的光芯片的结构示意图；
图10为本申请另一种实施例中的光芯片的结构示意图。
附图标记：10、透镜；11、第一光面；12、第二光面；20、光芯片；21、包层；22、接收波导芯层；221、第一端面；222、第二端面；23、发射波导芯层；24、入射波导芯层；25、光电探测模块；251、混频器；252、平衡光电探测器；26、分光模块；261、第一分光器；262、第二分光器；27、输入波导芯层；AA’、第一预设方向；BB’、第二预设方向；OO’、光轴；PP’、焦平面；L1、离焦距离；2、光斑。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
激光雷达是以发射激光束探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别，激光雷达向目标物体发射探测信号，然后将接收到的从目标物体反射回来的回波信号与本振信号进行比较，并对反射回来的回波信号进行适当处理后就可获得例如目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等相关参数，从而可应用于例如汽车、机器人、物流车、巡检车等产品的导航规避、障碍物识别、测距、测速、自动驾驶等场景中。
激光雷达按照调制方式可以划分为脉冲激光雷达和相干激光雷达，其中，相干激光雷达又进一步包括调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达。
在FMCW激光雷达系统中，通常采用多面转镜和/或微机电系统(MicroelectroMechanical Systems，MEMS)振镜实现探测信号的光束扫描，以在激光雷达的外部形成一个探测视场，从而对落在探测视场内的目标物体进行探测。但是，在使用FMCW激光雷达时，随着多面转镜转动和/或MEMS振镜转动以实现扫描时，不同的转动角速度下，容易使回波信号聚焦后所形成的光斑落在光接收器件上的位置发生偏移，即存在上述的走离效应，这种走离效应不仅影响回波信号的收集效率，使光耦合效率降低，甚至可能使得激光雷达丧失探测信号光的能力，从而影响激光雷达的整体性能。
为了解决上述技术问题，请参照图1-图4所示，本申请的第一方面提出了一种激光雷达，能够有效提高回波信号的最低光耦合效率，从而提升激光雷达的光探测性能。
激光雷达包括透镜10和光芯片20。透镜10的光轴OO’沿第一预设方向AA’延伸，透镜10用于接收回波信号，并将回波信号输出至光芯片20；其中，回波信号由激光雷达发射的探测信号经目标物体反射或者散射形成。光芯片20与透镜10沿第一预设方向AA’间隔设置，光芯片20包括包层21以及嵌设于包层21的两个以上接收波导芯层22，所有接收波导芯层22位于包层21靠近透镜10的一端且沿第二预设方向BB’间隔排布，第二预设方向BB’与第一预设方向AA’相交，每一接收波导芯层22具有相对的第一端面221与第二端面222，第一端面221较第二端面222更靠近透镜10，第一端面221用于接收透镜10输出的回波信号；至少一接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间具有间距。
以下结合图1-图10对激光雷达的具体结构进行展开介绍。
如图1-图4所示，激光雷达包括透镜10和光芯片20。
透镜10是激光雷达中用于实现光路改变、光斑形状调整的部件，透镜10的制备材料可以是塑料也可以是玻璃。
透镜10的光轴OO’沿第一预设方向AA’延伸，换言之，第一预设方向AA’即为透镜10的光轴OO’所在的延伸方向。透镜10用于接收回波信号，并将回波信号输出至光芯片20。激光雷达工作时，激光雷达能够向探测视场内的目标物体发射探测信号，探测信号经目标物体反射或者散射后形成上述回波信号。透镜10具有靠近目标物体的第一光面11、以及远离目标物体的第二光面12；回波信号经由第一光面11射入透镜10内并从第二光面12射出透镜10外进而投射至光芯片20。透镜10用于对自第一光面11入射的光束聚焦，从而使聚焦后的光束落在光芯片20上。
如图1-图4所示，光芯片20作为激光雷达中用于接收透镜10输出的回波信号的部件，即上述光接收器件。
光芯片20与透镜10沿第一预设方向AA’间隔设置，也即光芯片20落在透镜10的光轴OO’上且与透镜10不接触。
光芯片20包括未示出的衬底、包层21和接收波导芯层22。其中，衬底是光芯片20成型过程的基材，衬底的制备材料可以但不仅限于包括二氧化硅；当然，在本申请的其他实施例中，衬底也是可以省略的。包层21铺设于衬底上，其是光芯片20的主体结构，也是上述接收波导芯层22所依附的结构；包层21的制备材料可以但不仅限于包括二氧化硅。接收波导芯层22作为光芯片20中用于接收透镜10输出的回波信号的结构，接收波导芯层22的制备材料可以但不仅限于包括硅和氮化硅。
接收波导芯层22嵌设于包层21内，也即包层21包裹接收波导芯层22。接收波导芯层22的折射率大于包层21的折射率，则接收波导芯层22与包层21共同构成一光波导结构，回波信号在进入接收波导芯层22后可以在接收波导芯层内以全反射的方式传播。
接收波导芯层22位于包层21靠近透镜10的一端，接收波导芯层22具有第一端面221和第二端面222。第一端面221和第二端面222相对设置，第一端面221相较于第二端面222更靠近透镜10，并显露于包层21面向透镜10的端面；第一端面221用于接收透镜10输出的回波信号，第二端面222则用于供回波信号从接收波导芯层22出射。本实施例中，接收波导芯层22沿上述第一预设方向AA’延伸，该第一端面221和第二端面222沿第一预设方向AA’相对设置；可以理解的是，在本申请的其他实施例中，接收波导芯层22亦可以沿其他方向直线延伸或曲线延伸，则该第一端面221和第二端面222沿其他方向相对设置。透镜10输出的回波信号从第一端面221射入接收波导芯层22内，并在接收波导芯层22与包层21的交界面上发生全反射后，从第二端面222射出接收波导芯层22外。此处需要指出的是，附图中示出的接收波导芯层22与包层21宽度一致，但本申请并不对两者的宽度关系作出限定，包层21的宽度也可以大于接收波导芯层22的宽度；只要保证包层21靠近透镜10的一端设有上述接收波导芯层22即可。
本实施例中，光芯片20包括多个接收波导芯层22；其中，本申请文件中所述的“多个”意为两个以上。例如，光芯片20可以包括两个、三个、四个、五个、六个以上的接收波导芯层22；这里对接收波导芯层22的具体数量不做限定，本领域的技术人员可根据实际需要进行合理设计。所有接收波导芯层22沿第二预设方向BB’间隔排布，也即任意两个接收波导芯层22沿第二预设方向BB’上不接触。其中，第二预设方向BB’与第一预设方向AA’相交，也即在第二预设方向BB’和第一预设方向AA’所在的平面内，第二预设方向BB’与第一预设方向AA’不平行，或者，第二预设方向BB’具有与第一预设方向AA’相垂直的分量。在本实施例中，第二预设方向BB’与上述第一预设方向AA’垂直；可以理解的是，在本申请的其他实施例中，第二预设方向BB’与上述第一预设方向AA’还可以呈其他夹角设置。
值得一提的是，由于随着探测信号的探测距离的增加，探测信号的飞行时间也随之增加，在探测信号的飞行时间内，上述扫描器件相较于探测信号出射时已经发生了一个角度偏转，且该角度可能随着探测信号的飞行时间的增加而逐渐增大，因此探测信号经目标物体反射或散射后所形成的回波信号最终落在光芯片20上的位置偏移量也逐渐增大。由于激光雷达的扫描方向实则是水平扫描方向与垂直扫描方向的耦合，因此回波信号最终落在光芯片上的位置偏移量在两扫描方向各自所引起的走离效应的方向上都会具有位置偏移分量。又由于水平扫描方向的视场大于垂直扫描方向的视场，因此水平扫描方向的扫描速率一般大于垂直扫描方向的扫描速率，则水平扫描方向引起的走离效应方向(以下简称第一分量方向)的位置偏移分量大于垂直扫描方向引起的走离效应方向(以下简称第二分量方向)的位置偏移分量。光芯片20中各接收波导芯层22是用于接收回波信号的结构，本实施例中，各接收波导芯层22的排列方向与上述第一分量方向一致；可以理解的是，在本申请的其他实施例中，各接收波导芯层22的排列方向还可以与回波信号在光芯片20上的实际偏移方向一致，具体可以通过调整光芯片20的摆放角度实现。
一般地，透镜10输出的回波信号会在透镜10的第二光面12侧形成光斑2，为使光斑2集中落在光芯片20上，则各接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’重合设置；如图2与图4中虚线示出的透镜10的焦平面PP’，与接收波导芯层22的第一端面221重合设置。但上述方案会使得光斑2落在相邻的两接收波导芯层22之间时，较多的能量不能进入接收波导芯层22；而若相邻两接收波导芯层22之间的间距大于或等于回波信号在焦平面PP’的光斑2尺寸时，则存在各接收波导芯层22均完全接收不到回波信号的情况；即是，光芯片20的光耦合效率极低，甚至可能低至接近于0。为改善上述不足，本申请对光芯片20作出进一步改进；具体地，至少一个接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’(也即过透镜10的焦点且与透镜10的光轴OO’相垂直的平面)之间具有间距。为方便描述，以下将接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间的间距称为“离焦距离L1”，该离焦距离L1可以通过测量上述焦平面PP’与第一端面221的中心点之间的距离得到。
需要注意的是，针对第一端面221与上述焦平面PP’存在离焦距离L1的接收波导芯层22而言，该接收波导芯层22的第一端面221相较于透镜10的焦平面PP’可以更靠近透镜10(图2)，此时透镜10输出的回波信号会在透镜10的第二光面12侧形成光斑2，光斑2落在光芯片20上的投影面积大于落在透镜10的焦平面PP’上的投影面积。当然，该接收波导芯层22的第一端面221相较于透镜10的焦平面PP’也可以更远离透镜10(图4)，此时透镜10输出的回波信号会在透镜10的第二光面12侧形成光斑2，光斑2落在透镜10的焦平面PP’上的投影面积小于落在光芯片20上的投影面积。其中，“光斑2落在光芯片20上的投影面积”可以是光斑2沿平行于透镜10的光轴OO’方向(也即第一预设方向AA’)落在接收波导芯层22的第一端面221上的正投影面积，也可以是光斑2沿相交于透镜10的光轴OO’方向落在接收波导芯层22的第一端面221上的斜投影面积；“光斑2落在透镜10的焦平面PP’上的投影面积”为光斑2沿平行于透镜10的光轴OO’方向落在透镜10的焦平面PP’上的正投影面积。
相较于将接收波导芯层22的第一端面221设计成与透镜10的焦平面PP’共面而言，基于本申请实施例中的激光雷达，通过设计至少一个接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间存在间距，使得透镜10输出的回波信号在透镜10的第二光面12侧所形成的光斑2，其实际落在光芯片20的光斑面积更大；如此，当光斑2移动至相邻两接收波导芯层22之间时，落在接收波导芯层22上的面积占光斑2的总面积之比将更大，因此能够提高回波信号的光耦合效率，从而提升该激光雷达的光探测性能。
本实施例中，各接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间均具有间距。当然，在本申请的其他实施例中，所有接收波导芯层22中，也可以是部分的接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间具有间距，而剩余部分的接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’共面。
值得补充一提的是，本申请所述的“光耦合效率”意为，接收波导芯层22所接收并用于与本振信号相干探测的回波信号能量，占落在光芯片20表面的回波信号能量的比值。透镜10输出的回波信号在透镜10的第二光面12侧形成的光斑2落在光芯片20上的投影可能只会覆盖一个接收波导芯层22的第一端面221，也可能会覆盖多个接收波导芯层22的第一端面221。当光斑2只覆盖一个接收波导芯层22的第一端面221时，回波信号的光耦合效率可以通过计算光斑2投影在接收波导芯层22的第一端面221上的面积与光斑面积的比值得到；当光斑2覆盖多个接收波导芯层22的第一端面221时，回波信号的光耦合效率可以通过计算光斑2投影在多个接收波导芯层22的第一端面221上的面积的最大值与光斑面积的比值得到。
如图5-图8所示，图5表示不同离焦距离L1下回波信号的光耦合效率曲线图，其中，横坐标表示探测距离(或走离效应偏移量)，其单位为m(若横坐标表示走离效应偏移量，则单位为μm)，纵坐标表示光耦合效率。图5中的曲线S1表示激光雷达要求回波信号的光耦合效率所需要达到的预设阈值，其为一水平线，当回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率高于该预设阈值则为有效信号，当回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率低于该预设阈值则为无效信号。图5中的曲线S2表示在接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’重合时，回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率随探测距离的变化曲线，该曲线S2所对应的光斑2在光芯片20表面上的投影如图6所示。图5中的曲线S3表示在接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’具有第一离焦距离时，回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率随探测距离的变化曲线，该曲线S3所对应的光斑2在光芯片20表面上的投影如图7所示。图5中的曲线S4表示在接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’具有第二离焦距离时，回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率随探测距离的变化曲线，该曲线S4所对应的光斑在光芯片20表面上的投影如图8所示，其中，该第二离焦距离大于上述第一离焦距离。图5中以曲线S1为分界线，针对每条曲线而言，位于曲线S1以上的部分越多则说明该曲线所对应的光芯片20与透镜10的配合场景下，回波信号的光耦合效率越好；另外，各曲线的形状越平坦则说明该曲线所对应的光芯片20与透镜10的配合场景下，回波信号的光耦合效率越均匀，光斑2位于两波导之间的光耦合效率也较高。反之，位于曲线S1以下的部分越多则表示该曲线所对应的离焦距离L1下的回波信号的光耦合效率越差。从图5中可以看出：曲线S4的回波信号的光耦合效率优于曲线S3的回波信号的光耦合效率，而曲线S3的回波信号的光耦合效率优于曲线S2的回波信号的光耦合效率。即是，在一定离焦范围内，光耦合效率随着离焦量的增加而提升。
另外，需要补充说明的是，由于探测距离较小，回波信号的能量较高；因此，近距探测时即使降低部分光耦合效率对激光雷达的探测影响也不大。相应地，在探测距离增加，回波信号从一接收波导芯层22移出并进入另一接收波导芯层22的过程中，本申请实施例提供的激光雷达能够提高这一过程中的光耦合效率，进而提升稍远距离探测所对应回波信号的光耦合效率及光功率，其具有重要意义。
应当理解，虽然本实施例中，光耦合效率的计算方式是采用上述方式获得，但在本申请的其他实施例中，光耦合效率的计算方式也可以通过计算光斑2落在所有接收波导芯层22的面积之和与光斑面积的比值得到，本申请不对其具体获取方式作出限定，只要保证在获得图5所示的曲线时，采用相同的标准计算即可。
进一步地，如图2和图4所示，可以理解的是，当所有接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间均具有间距时，可以是部分的接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间的间距为第一离焦距离，剩余部分的接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间间距为第二离焦距离，且第一离焦距离与第二离焦距离不相等。考虑到为降低光芯片20的整体加工难度，故设计，在一些实施例中，沿第一预设方向AA’(也即透镜10的光轴OO’方向)，各接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间的间距相等。
进一步地，如图2和图4所示，可以理解的是，透镜10输出的回波信号会在透镜10的第二光面12侧形成光斑2，当接收波导芯层22的第一端面221相较于透镜10的焦平面PP’可以更远离透镜10时，此时透镜10与接收波导芯层22的第一端面221之间的距离等于透镜10的焦距加上上述“离焦距离L1”。为利于缩小该激光雷达的整体体积，故设计，在一些实施例中，沿第一预设方向AA’，透镜10的焦平面PP’位于至少一个接收波导芯层22的第一端面221与第二端面222之间。此时，透镜10与接收波导芯层22的第一端面221之间的距离等于透镜10的焦距减去上述“离焦距离L1”。优选地，沿第一预设方向AA’，当所有接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间的间距相等时，此时透镜10的焦平面PP’位于所有接收波导芯层22的第一端面221与第二端面222之间。
进一步地，请再参阅图7和图8，考虑到在透镜10的焦距和接收波导芯层22的最大入射角相对确定的条件下，离焦距离L1的大小决定了透镜10输出的回波信号于透镜10的第二光面12侧所形成的光斑2落在光芯片20上的投影面积的大小，从而决定了回波信号的光耦合效率。例如，离焦距离L1越大，透镜10输出的回波信号于透镜10的第二光面12侧所形成的光斑2落在光芯片20上的投影面积越大，可能使得回波信号的光耦合效率越高。当然，也不是说离焦距离L1越大越好，离焦距离L1过大，不利于光斑2在光芯片20上的能量的集中，也会影响回波信号进入接收波导芯层22的光功率。故为保证回波信号进入接收波导芯层22的光耦合效率和光功率较佳，以使该激光雷达的光探测性能达到最优，关于离焦距离L1的具体限定可以但不仅限于包括以下实施例中的一种或者多种。
在第一种实施例中，5μm≤L1≤60μm。例如，离焦距离L1的具体取值可以但不仅限于是5μm、8μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm或者60μm等。一般地，回波信号落在光芯片20表面的光斑2在沿第二预设方向BB’的最大线性尺寸介于3μm～20μm之间，接收波导芯层22的最大入射角介于10°～40°之间，基于以上参数可知道，离焦距离L1介于3.8mm～113mm之间。当然，在保证回波信号所形成的光斑2的尺寸大小处于合适的范围内的基础上，还需要尽量保证激光雷达具有较小的体积，因此离焦距离L1优选介于5mm～60mm之间。
在第二种实施例中，D/(2tanθ)<L1<(W+D)/(2tanθ)，其中，θ为接收波导芯层22的数值孔径所对应的角度(也即接收波导芯层22的最大入射角)，W为接收波导芯层22沿第二预设方向BB’上的宽度，D为相邻的两个接收波导芯层22之间的间距。该设置旨在，一方面使得回波信号所形成的光斑2在第二预设方向BB’上的最大线性尺寸大于相邻两接收波导芯层22之间的间距，以保障光斑2位于两接收波导芯层22之间时能够进入至少一个接收波导芯层22，进而提升光斑2位于相邻两接收波导芯层22之间时的光耦合效率；另一方面使得回波信号所形成的光斑2在第二预设方向BB’上的最大尺寸小于接收波导芯层22的宽度与上述间距之和，以避免回波信号所形成的光斑的尺寸过大而导致最终进入接收波导芯层22的光功率过低的弊端。
可选地，上述光芯片20满足：100nm≤W≤500nm。例如，W的具体取值可以但不仅限于是100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。该设置旨在，保证接收波导芯层22的第一端面221的尺寸较为合适，使得回波信号在接收波导芯层22内以单模形式传播。当W的取值超出上述条件式的下限时，接收波导芯层22的第一端面221的尺寸过小，不利于透镜10输出的回波信号于透镜10的第二光面12侧形成的光斑2落在接收波导芯层22的第一端面221上，并在接收波导芯层22内传播。当W的取值超出上述条件式的上限时，回波信号在接收波导芯层22内容易激发多种模式，从而影响后续与本振信号拍频的效率。
可选地，上述光芯片20满足：1μm≤D≤10μm。例如，D的具体取值可以但不仅限于是1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、或10μm。该设计中，通过合理设计D的取值，使当D的取值满足上述条件式时，相邻的两个接收波导芯层22之间的间距大小较为合适，透镜10输出的回波信号于透镜10的第二光面12侧形成的光斑2落在相邻的两个接收波导芯层22之间间隙内的投影面积较小，使得光斑2在接收光芯片20表面上的投影能够尽可能多的落在接收波导芯层22的第一端面221内，从而尽可能提高回波信号的光耦合效率，以使该激光雷达的光探测性能达到最优。当D的取值超出上述条件式的下限时，相邻的接收波导芯层22的间距过小，不利于光芯片20整体的加工，同时也需要设置更多的接收波导芯层22来覆盖同样的探测距离。当D的取值超出上述条件式的上限时，相邻的两个接收波导芯层22之间的间距过大，透镜10输出的回波信号于透镜10的第二光面12侧形成的光斑2落在相邻的两个接收波导芯层22之间间隙内的投影面积较大，使得光斑2落在接收波导芯层22的第一端面221上的投影面积较小，回波信号的光耦合效率较低，从而不利于优化激光雷达的光探测性能。
进一步地，如图2和图4所示，可以理解的是，沿第二预设方向BB’，任意相邻的两个接收波导芯层22之间的间距可以不等，换言之，所有接收波导芯层22可以沿第二预设方向BB’非等间隔排布。为降低光芯片20整体的加工难度，故设计，在一些实施例中，沿第二预设方向BB’，任意相邻的两个接收波导芯层22之间的间距均相等。也即所有接收波导芯层22沿第二预设方向BB’等间隔排布。
进一步地，如图9和图10所示，为提升光芯片20的集成度，该光芯片20还包括发射波导芯层23。该发射波导芯层23嵌入上述包层21而共同构成一光波导结构，其用于接收激光雷达生成的探测信号，并用于将探测信号输出至光芯片20之外以探测目标物体。激光雷达通过光芯片20向目标物体出射探测信号，然后又通过光芯片20接收来自目标物体反射或者散射回来的回波信号，并将接收的回波信号与一本振信号进行比较，适当处理后就可获得例如目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等相关参数。需要注意的是，上述透镜10还能够用于接收激光雷达向目标物体发射的探测信号，也即用于接收探测信号的透镜10与用于接收回波信号的透镜10为同一透镜10；此时，探测信号经由第二光面12射入透镜10内并从第一光面11射出透镜10外，在经由透镜10的准直后投射至目标物体。当然，用于接收探测信号的透镜10也可以是独立于上述用于接收回波信号的透镜10的另一透镜10。
具体地，发射波导芯层23位于包层21靠近透镜10的一端，发射波导芯层23沿第一预设方向AA’延伸，透镜10的光轴OO’穿过发射波导芯层23，透镜10还用于对发射波导芯层23输出的光束进行准直。在一些实施例中，发射波导芯层23朝向透镜10的端面与透镜10的焦平面PP’重合，则准直后的光束为平行光。此时，需要注意的是，由于发射波导芯层23的端面位于上述焦平面PP’，接收波导芯层22的第一端面221则与上述焦平面PP’具有间距，则发射波导芯层23朝向透镜10的端面与接收波导芯层22的第一端面221并不在同一平面内，此时包层21靠近透镜10的端面为阶梯状表面。可以理解的是，在本申请其他的一些实施例中，发射波导芯层23朝向透镜10的端面与透镜10的焦平面PP’之间也可以具有间距，即前者相对于后者离焦设置，则发射波导芯层23与接收波导芯层22的第一端面221可位于同一平面，此时包层21靠近透镜10的端面为平面。进一步地，为使经由发射波导芯层23和透镜10出射的探测信号为平行光或者近似为平行光，光芯片20还可以包括微透镜(图中未示出)，该微透镜设于发射波导芯层23靠近透镜10的端面，并用于对发射波导芯层23输出的探测信号进行准直，进而使接下来透过光芯片20的光束接近平行光。
至于各接收波导芯层22相对于发射波导芯层23的位置，既可以如图9所示，沿上述第二预设方向BB’，各接收波导芯层22均位于发射波导芯层23的同一侧，也可以如图10所示，沿上述第二预设方向BB’，各接收波导芯层22分设于发射波导芯层23的两侧，即至少两接收波导芯层22位于发射波导芯层23的两侧。值得指出的是，以第二预设方向BB’对应水平扫描方向引起的走离效应方向为例，各接收波导芯层22均位于发射波导芯层23的同一侧的设计适用于水平扫描方向为单向的扫描方向，如采用转镜扫描；各接收波导芯层22分设于发射波导芯层23的两侧的设计适用于水平扫描方向为双向的扫描方向，如采用振镜扫描。
进一步地，如图9和图10所示，为进一步提高光芯片20的集成度，在一些实施例中，光芯片20还包括光电探测模块25，光电探测模块25用于接收激光雷达生成的本振信号以及经由接收波导芯层22的第二端面222输出的回波信号；每一光电探测模块25对应一接收波导芯层22设置。
具体地，每一光电探测模块25包括一个混频器251和一个平衡光电探测器252。混频器251具有两个输入端口，其一输入端口用于接收上述激光雷达生成的本振信号，另一输入端口用于接收上述接收波导芯层22输出的回波信号，本振信号与回波信号可在混频器251内发生拍频，以得到两个拍频信号。其中，混频器251可以为180度混频器251，其输出的两个拍频信号之间的相位相差180度。平衡光电探测器252与混频器251的输出端连接，平衡光电探测器252用于对上述拍频信号进行平衡探测，从而得到与上述两个拍频信号相关的两个电信号。激光雷达的信息处理模块可以根据上述两个电信号计算获取目标物体相对于激光雷达的例如距离、速度和反射率等相关探测信息。需要说明的是，光电探测模块25的具体表现形式不仅限于包括混频器251和平衡光电探测器252，只要是能够具备接收上述本振信号和上述探测信号，并能够将该本振信号和该探测信号生成的上述拍频信号转化成上述电信号的其他具体表现形式的光电探测模块25均可，例如，在其他一些实施例中，光电探测模块25包括光电探测器，该光电探测器不仅能够用于接收上述本振信号和上述探测信号，以使两者拍频生成上述拍频信号，该光电探测器还能够将生成的上述拍频信号转换成上述电信号。
进一步地，如图9和图10所示，为更进一步地提升光芯片20的集成度，在一些实施例中，光芯片20还包括输入波导芯层27和分光模块26。输入波导芯层27用于接收激光雷达生成的源光信号；分光模块26用于接收由输入波导芯层27输出的源光信号，并将源光信号至少分束形成探测信号以及两束以上的本振信号，探测信号用于输向发射波导芯层23，本振信号用于输向光电探测模块25。
具体地，输入波导芯层27嵌设于上述包层21内，而与包层21共同形成一光波导结构。分光模块26包括第一分光器261和第二分光器262，输入波导芯层27输出的一部分源光信号经由第一分光器261被分束形成上述探测信号，而输入波导芯层27输出的剩余部分源光信号依次经由第一分光器261和第二分光器262被分束成多束上述本振信号。
进一步地，如图9和图10所示，在一些实施例中，激光雷达还包括激光器(图中未示出)，激光器用于生成源光信号。
具体地，源光信号由激光器生成并输向输入波导芯层27，由输入波导芯层27输出的部分源光信号经由第一分光器261被分束形成上述探测信号，由输入波导芯层27输出的剩余部分源光信号依次经由第一分光器261和第二分光器262被分束形成多束上述本振信号，由第一分光器261输出的探测信号经由发射波导芯层23输向目标物体，探测信号经目标物体反射或者散射后形成回波信号，回波信号和本振信号均输向混频器251，混频器251对回波信号以及本振信号进行拍频处理以生成两个拍频信号，两个拍频信号经由混频器251的输出端输向平衡光电探测器252，两个拍频信号经由平衡光电探测器252平衡探测处理后生成两个电信号，两个电信号经由平衡光电探测器252的输出端输向激光雷达的信息处理模块，两个电信号经由激光雷达的信息处理模块信息处理后便可获取目标物体相对于激光雷达的例如距离、速度和反射率等相关探测信息。
综上所述，本申请实施例提供的激光雷达包括透镜10与光芯片20。光芯片20中的接收波导芯层22的第一端面221与透镜10的焦平面PP’之间具有间距，从而使得回波信号落在光芯片20表面的光斑较大，进而可以使得光斑位于相邻两接收波导芯层22之间时，具有更大比例的面积落在接收波导芯层22的第一端面221上，从而可以在一定程度上改善回波信号的最低光耦合效率较低的现状。由此，该激光雷达可以具有较佳的探测性能。
本申请的第二方面提出了一种可移动设备，该可移动设备包括上述的激光雷达。其中，可移动设备可以但不仅限于包括汽车、机器人、无人机等智能设备。该设计中，具有上述激光雷达的可移动设备，亦可以改善相关技术中因走离效应导致的回波信号的最低光耦合效率较低的现状。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括透镜与光芯片；
所述透镜的光轴沿第一预设方向延伸，所述透镜用于接收回波信号，并将所述回波信号输出至所述光芯片，所述回波信号由所述激光雷达发射的探测信号经目标物体反射或者散射形成；
所述光芯片与所述透镜沿所述第一预设方向间隔设置，所述光芯片包括包层以及嵌设于所述包层的两个以上接收波导芯层，所述接收波导芯层位于所述包层靠近所述透镜的一端，所述接收波导芯层具有相对的第一端面与第二端面，所述第一端面较所述第二端面更靠近所述透镜，所述第一端面用于接收所述透镜输出的回波信号，各所述接收波导芯层沿第二预设方向间隔排布，所述第二预设方向与所述第一预设方向相交；
至少一所述接收波导芯层的所述第一端面与所述透镜的焦平面之间具有间距。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，各所述接收波导芯层的第一端面与所述焦平面之间均具有间距。
3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，沿所述第一预设方向，各所述第一端面与所述焦平面之间的间距相等。
4.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，沿所述第一预设方向，所述焦平面位于至少一所述接收波导芯层的所述第一端面与所述第二端面之间。
5.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第一端面与所述焦平面之间的间距为离焦距离L1，所述离焦距离L1满足以下条件的至少一者：
a)5μm≤L1≤60μm；
b)D/(2tanθ)<L1<(W+D)/(2tanθ)，其中，θ为所述接收波导芯层的数值孔径所对应的角度，W为所述接收波导芯层沿所述第二预设方向的宽度，D为相邻两所述接收波导芯层之间的间距。
6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述光芯片满足以下条件：
c)100nm≤W≤500nm，其中，W为所述接收波导芯层沿所述第二预设方向上的宽度；
d)1μm≤D≤10μm，其中，D为相邻的两个所述接收波导芯层之间的间距。
7.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，沿所述第二预设方向，任意相邻两所述接收波导芯层之间的间距均相等。
8.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光芯片还包括嵌设于所述包层的发射波导芯层；
所述发射波导芯层用于接收所述激光雷达生成的探测信号，并用于将所述探测信号输出至所述光芯片之外，以探测所述目标物体。
9.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述发射波导芯层位于所述包层靠近所述透镜的一端，并沿所述第一预设方向延伸，所述透镜的光轴穿过所述发射波导芯层；
所述发射波导芯层朝向所述透镜的端面与所述焦平面重合。
10.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述发射波导芯层靠近所述透镜的端面与所述第一端面共面；
所述光芯片还包括微透镜，所述微透镜设于所述发射波导芯层靠近所述透镜的端面，所述微透镜用于对所述发射波导芯层输出的探测信号进行准直。
11.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，沿所述第二预设方向，各所述接收波导芯层位于所述发射波导芯层的同一侧。
12.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，沿所述第二预设方向，至少两所述接收波导芯层分设于所述发射波导芯层的两侧。
13.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述光芯片还包括光电探测模块；
所述光电探测模块用于接收所述激光雷达生成的本振信号以及经由所述接收波导芯层的所述第二端面输出的所述回波信号。
14.如权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述光芯片还包括：
输入波导芯层，用于接收所述激光雷达生成的源光信号；以及
分光模块，用于接收由所述输入波导芯层输出的所述源光信号，并将所述源光信号至少分束形成所述探测信号以及两束以上所述本振信号，所述探测信号用于输向所述发射波导芯层，所述本振信号用于输向所述光电探测模块；
所述激光雷达还包括激光器，所述激光器用于生成所述源光信号。
15.一种可移动设备，其特征在于，包括如权利要求1至14中任一项所述的激光雷达。
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