CN118330607A - 一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光雷达辅具技术领域，解决了现有技术中在需要将光束沿竖直方向排列时将光芯片竖直放置而导致的激光雷达整机厚度增加以及散热性能变差的问题，公开了一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，该装置能够将光芯片水平放置发射出的多通道光束转换成沿竖直方向排布的多通道光束，从而能够在需要沿竖直方向排布的光束时无需将光芯片竖直设置，即将光芯片沿水平方向设置即可，从而能够降低激光雷达整机的厚度，光芯片及驱动板水平设置可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，更加有利于光芯片的散热。

Description

一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置

技术领域

本申请涉及激光雷达辅具技术领域，尤其是一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置。

背景技术

激光雷达是一种能主动发射激光信号去获取目标物距离、速度、位置等信息的器件，其原理一般是器件首先发射出信号光，信号光经目标物反射回来后被器件所接收，通过处理发射光和接收光信号，比较两个信号之间的时间、相位等信息，即可获得目标物的距离、速度、位置等信息。

激光雷达按其测试原理可分为飞行时间激光雷达、调频连续波激光雷达(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)等，其中FMCW激光雷达由于其独特的测距原理，在接收端通过发射光与接收光进行平衡探测的方式，可以有效地减少外界环境光对激光雷达性能的干扰，提升激光雷达测距性能。同时，除了提供传统的目标物位置、距离信息外，FMCW激光雷达还能提供目标物的速度信息，因此，FMCW激光雷达是公认的下一代激光雷达主流技术。

FMCW激光雷达的一种典型系统是采用光芯片进行收发光信号，即光信号在光芯片内通过光通道出射，光信号经目标物反射后被器件接收又沿光通道进入到光芯片中，发射光与接收光在光芯片中进行平衡探测，这样即可实现激光雷达的发射端与接收端结合，使雷达整机结构集成度更高。

为获得探测空间的目标物信息，激光雷达一般还搭配了转镜、振镜等扫描部件，其中转镜负责光束在水平方向x的扫描，振镜负责在竖直方向y的扫描，同时激光雷达一般水平视场范围(通常120°)要远大于垂直视场范围(通常25°)。

如图2所示，转镜10的形状一般是正方体或多面体，在xy平面内绕z轴旋转，其面一11及其对面不是反射面，面二12、面三13及其对面是反射面，转镜10连续旋转过程中光束经转镜反射面反射后即可实现光束在水平方向的大视场扫描。

振镜一般是一个形状不定的如长方形、圆形、椭圆形的反射平面，其旋转轴位于xy平面内，绕旋转轴往返阶跃性摆动，摆动过程中光束经振镜反射面反射后即可实现光束在竖直方向的小视场扫描。

图3为FMCW激光雷达的一种光芯片结构示意图，其中21为光芯片的驱动板，具有给光芯片供电、散热的功能，22为光芯片，23为出光通孔，24为发出的激光光信号的第一光束，其中芯片4个出光通孔数量只做举例说明，并不代表实际芯片通孔数量。在空间中，激光信号沿y方向出射，x方向为空间中的水平方向，z方向为空间中的竖直方向。

在光芯片搭配转镜、振镜使用过程中，如果芯片沿水平方向放置，四个通道的出光光束也沿水平方向排布，经转镜反射后会出现4个通道扫描光束重合的情况，为避免该情况的发生，只能将芯片如图4所示沿竖直方向放置。

而相较于水平放置方式，竖直方向放置方式则存在以下两点缺陷：

1.整机厚度增加，芯片沿竖直方向放置时其驱动板也要相应的沿竖直方向放置，此时增加了激光雷达整机的厚度，而在车载等应用场景中激光雷达的厚度很受限，如果水平放置，有利于优化整机厚度；

2.散热性能变差，芯片沿竖直方向放置时，其驱动板背面是悬空的，不利于散热，如果水平放置，驱动板则可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，该方式有助于光芯片的散热。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术中在需要将光束沿竖直方向排列时将光芯片竖直放置而导致的激光雷达整机厚度增加以及散热性能变差的问题，提供一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置。

第一方面，提供了一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其中，所述第一反射镜可将水平入射的水平排列的多通道光束沿竖直方向反射到第二反射镜的反射面上，所述第二反射镜可将由第一反射镜沿竖直方向反射到第二反射镜的反射面上的光束沿水平方向反射到第三反射镜的反射面上，所述第三反射镜可将由第二反射镜沿水平方向反射到第三反射镜的反射面上的光束沿竖直方向排列且沿水平方向反射出去。

在一些可能的实现方式中，还包括壳体，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均固定于所述壳体内，所述壳体一面设置有入光通道，所述壳体另一面设置有出光通道。

在一些可能的实现方式中，所述壳体外壁靠近入光通道的两端处均固定有定位机构。

在一些可能的实现方式中，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为长方形结构。

在一些可能的实现方式中，所述第一反射镜设置在壳体内的底部，所述第一反射镜的长边水平设置，第一反射镜的短边与水平面成45°夹角，所述第二反射镜设置第一反射镜的上方，所述第二反射镜的短边水平设置且与第一反射镜的长边垂直，所述第二反射镜的长边与水平面成45°夹角，所述第三反射镜设置在壳体内的一侧，所述第三反射镜的长边沿竖直方向设置，所述第三反射镜的短边水平设置且与第二反射镜的短边成45°夹角。

在一些可能的实现方式中，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的长边首尾相接或相邻。

在一些可能的实现方式中，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射的镜面均朝向第一反射镜、第二反射镜和第三反射之间的区域。

在一些可能的实现方式中，所述第一反射镜的短边和长边满足以下条件：

L2≥(n-1)*d+2r

其中，L1为第一反射镜的短边长度，L2为第一反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。

在一些可能的实现方式中，所述第二反射镜的短边长度大于或等于所述光束的直径，所述第一反射镜的长边长度满足以下条件：

L3≥2r

其中，L3为第二反射镜的短边长度，L4为第二反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。

在一些可能的实现方式中，所述第三反射镜的短边和长边满足以下条件：

L6≥(n-1)*d+2r

其中，L5为第三反射镜的短边长度，L6为第三反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。

本申请具有如下有益效果：能够将光芯片水平放置发射出的多通道光束在不改变光束传播方向的前提下转换成沿竖直方向排布的多通道光束，从而能够在需要沿竖直方向排布的光束时无需将光芯片竖直设置，即将光芯片沿水平方向设置即可，从而能够降低激光雷达整机的厚度，光芯片及驱动板水平设置可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，更加有利于光芯片的散热。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用于来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置的结构示意图；

图2是转镜的结构示意图；

图3是光芯片结构水平放置的结构示意图；

图4是光芯片结构竖直放置的结构示意图；

图5是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置中壳体的结构示意图一；

图6是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置中壳体的结构示意图二；

图7是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置的透视图；

图8是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置中第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的摆放角度的示意图；

图9是本申请实施例的用于激光雷达光芯片的出光转向装置中入射的多通道光束的尺寸示意图。

附图标记：

10、转镜；11、面一；12、面二；13、面三；20、光芯片结构；21、驱动板；22、光芯片；23、出光通孔；24、第一光束；30、第一反射镜；40、第二反射镜；50、第三反射镜；60、壳体；61、入光通道；62、出光通道；63、定位机构；64、定位柱；70、第二光束；71、第三光束；72、第四光束。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本申请实施例所涉及的一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置,如图1所示，包括第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50，其中，第一光束24为水平设置的光芯片22所发出的水平排列的多通道光束，第一光束24即水平入射的水平排列的多通道光束，第一光束24水平入射到第一反射镜30的反射面上，第一反射镜30将第一光束24转换成沿竖直方向的第二光束70，并将第二光束70反射到第二反射镜40的反射面上，第二反射镜40将第二光束70转换成沿水平方向的第三光束71，并将第三光束71反射到第三反射镜50的反射面上，由第三反射镜50将第三光束71转换成竖直排列的第四光束72，第四光束72即沿竖直方向排列且沿水平方向反射出去的光束，如图1所示，第一光束24沿y轴入射，最终转换成第四光束72，第四光束72沿y轴出射，可以看出此时出射的第四光束72由水平方向分布变为竖直方向分布，从而在需要沿竖直方向排布的光束时，在光芯片22的前端加装本装置后，无需将光芯片22竖直设置，即将光芯片22沿水平方向设置即可，从而能够降低激光雷达整机的厚度，光芯片22及驱动板21水平设置可以完整贴合在激光雷达外壳内表面上，更加有利于光芯片22的散热，避免了激光雷达因光芯片22竖直设置而导致的散热性能降低的情况。

需要说明的是，在本实施例中，光芯片22所在平面平行水平面设置，以x轴和y轴所构成的平面以及与其平行的平面为水平面，即x轴和y轴的方向或x轴和y轴的反方向均可看作是水平排列方向，在本实施例中，光芯片22所发出的水平光束(即第一光束24)沿y轴方向射入第一反射镜30且沿x轴方向排列，以垂直水平面的方向为竖直方向或铅直方向，即y轴方向或y轴反方向为竖直方向，在本实施例中，最终转换得到的第四光束72沿y轴方向射出且沿z轴方向排列。

如图5和6所示，壳体60设置成中空的长方体结构，壳体60一面设置有入光通道61，壳体60另一面设置有出光通道62，壳体60外壁靠近入光通道61的两端处均固定有定位机构63，示例性的，定位机构63为两个定位柱64，在使用时将光芯片结构20水平放置并卡在定位柱64之间即可，此时，光芯片结构20的出光通孔23发出的光束射入入光通道61，并沿水平方向排布入射至第一反射镜30的反射面上。

如图1和7所示，第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50均固定于所述壳体60内，在本实施例中，第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50均为长方形结构，第一反射镜30设置在壳体60内的底部，第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50的长边首尾相接或相邻，第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射的镜面均朝向第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射之间的区域，以保证第一反射镜30能够将第一光束24反射到第二反射镜40上，第二反射镜40能够将第二光束70反射到第三反射镜50上，第三反射镜50能够将第四光束72反射出去且方向与第一光束24的方向相同，仅仅是由水平排列转变成竖直排列的多通道光束，所述第一反射镜30的长边水平设置，第一反射镜30的短边与水平面成45°夹角，所述第二反射镜40设置第一反射镜30的上方，所述第二反射镜40的短边水平设置且与第一反射镜30的长边垂直，所述第二反射镜40的长边与水平面成45°夹角，所述第三反射镜50设置在壳体60内的一侧，所述第三反射镜50的长边沿竖直方向设置，所述第三反射镜50的短边水平设置且与第二反射镜40的短边成45°夹角。

具体的，如图7-图8所示，第一反射镜30的长边L2沿x轴方向，第一反射镜30的短边L1与y轴和z轴均成45°夹角，第二反射镜40的短边L3沿y轴方向，第二反射镜40的长边L4与x轴和z轴均成45°夹角，第三反射镜50的长边L6沿z轴方向，第三反射镜50的短边L5与x轴和y轴均成45°夹角，图8中虚线箭头为反射镜面法线方向即镜面朝向。

如图9所示，假设光芯片22的光束出射通道的数量为n，光芯片22的光束出射通道的间隔为d，光束的半径为r，为了尽可能的缩减成本，即第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50的面积尽可能的小，又能满足将水平排列转完整转换成竖直排列的多通道光束，需要满足以下条件：

L2≥(n-1)*d+2r；

L3≥2r；

L6≥(n-1)*d+2r。

其中，L1为第一反射镜30的短边长度，L2为第一反射镜30的长边长度，L3为第二反射镜40的短边长度，L4为第二反射镜40的长边长度，L5为第三反射镜50的短边长度，L6为第三反射镜50的长边长度，因此，为了尽可能的降低镜片成本，将第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50设置为以下长度即可：L2＝(n-1)*d+2r，L3＝2r， L6＝(n-1)*d+2r。

需要说明的是，为了进一步的缩减成本和将第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50设置的更加美观，还可以将第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50的两端均设置成圆弧形结构，需要注意的是，需要保证第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50能够对最外侧的两束光束进行完整的反射。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式；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，根据本申请的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其中，所述第一反射镜可将水平入射的水平排列的多通道光束沿竖直方向反射到第二反射镜的反射面上，所述第二反射镜可将由第一反射镜沿竖直方向反射到第二反射镜的反射面上的光束沿水平方向反射到第三反射镜的反射面上，所述第三反射镜可将由第二反射镜沿水平方向反射到第三反射镜的反射面上的光束沿竖直方向排列且沿水平方向反射出去。

2.根据权利要求1所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，还包括壳体，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均固定于所述壳体内，所述壳体一面设置有入光通道，所述壳体另一面设置有出光通道。

3.根据权利要求2所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述壳体外壁靠近入光通道的两端处均固定有定位机构。

4.根据权利要求2所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均为长方形结构。

5.根据权利要求4所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第一反射镜设置在壳体内的底部，所述第一反射镜的长边水平设置，第一反射镜的短边与水平面成45°夹角，所述第二反射镜设置第一反射镜的上方，所述第二反射镜的短边水平设置且与第一反射镜的长边垂直，所述第二反射镜的长边与水平面成45°夹角，所述第三反射镜设置在壳体内的一侧，所述第三反射镜的长边沿竖直方向设置，所述第三反射镜的短边水平设置且与第二反射镜的短边成45°夹角。

6.根据权利要求5所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的长边首尾相接或相邻。

7.根据权利要求6所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射的镜面均朝向第一反射镜、第二反射镜和第三反射之间的区域。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第一反射镜的短边和长边满足以下条件：

L2≥(n-1)*d+2r

其中，L1为第一反射镜的短边长度，L2为第一反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。

9.根据权利要求4-7中任一项所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第二反射镜的短边长度大于或等于所述光束的直径，所述第一反射镜的长边长度满足以下条件：

L3≥2r

其中，L3为第二反射镜的短边长度，L4为第二反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。

10.根据权利要求4-7中任一项所述的用于激光雷达光芯片的出光转向装置，其特征在于，所述第三反射镜的短边和长边满足以下条件：

L6≥(n-1)*d+2r

其中，L5为第三反射镜的短边长度，L6为第三反射镜的长边长度，n为光芯片的光束出射通道的数量，d为光芯片的光束出射通道的间隔，r为光束的半径。