CN207133424U - 一种激光接收装置及其激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光接收装置及其激光雷达装置，该激光接收装置包括：多个光电传感器单元，每个该光电传感器单元包括光电传感器及其外围电路；竖直放置的接收电路板，所述光电传感器设置在该接收电路板上，组成接收阵列；传感器阵列控制电路，用于控制所述光电传感器的选通。本实用新型的安装工艺简洁，效率高，良率高，便于量产。同时，本实用新型实现阵列激光接收器件的集成化和小型化，降低系统尺寸和重量，便于实现设备的低成本和小型化。

Description

一种激光接收装置及其激光雷达装置

技术领域

本实用新型涉及多通道激光测量领域，特别是涉及一种激光接收装置及其激光雷达装置。

背景技术

如图1、2所示为美国专利申请US8767190B2的激光雷达中的扫描阵列。

其中，母板20设置在框架22上。多个发射面板30依次插设在母板20上，多个检测面板32依次插设在母板20上。多个发射面板30沿垂直方向设置，多个检测面板32沿垂直方向设置。每个发射面板30上设置有一个发射器，每个检测面板32上设置有一个检测器。

如图2所示，该多个检测面板32整体呈扇形设置，以产生一水平线以上10度至水平线以下30度的视场，该连续的多个检测面板依次倾斜一个角度设置，使得该连续的多个检测面板相对一中心轴依次分布。

而该多个发射面板30与该多个检测面板32呈对称设置，该多个发射面板30整体也呈扇形设置，以产生一水平线以上10度至水平线以下30度的视场，该连续的多个发射面板依次倾斜一个角度设置，使得该连续的多个发射面板相对一中心轴依次分布。

现有技术中的该电控扫描阵列的缺陷在于，在安装过程中，每个发射面板30、发射面板32均需要单独校正其相对母板20的插设角度。为了获取精确的扫描结果，该产品的实际安装过程中，其插设的误差必须要达到微米级，而调整两个板面之间的角度并固定在一特定角度的工艺也较为复杂。故而这一结构所对应的安装过程工艺繁杂，生产效率低下，成本高，良率低。

另外，这一结构每一个发射器或检测器均需单独设置在一个面板上，所需要的面板数量较多，增加了系统的重量和体积，难以实现设备的低成本和小型化。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种激光接收装置，使得安装工艺简洁，效率高，良率高。

更进一步的，缩小体积，以便于实现设备的低成本和小型化。

本实用新型公开了一种激光接收装置，该激光接收装置包括：

多个光电传感器单元，每个该光电传感器单元包括光电传感器及其外围电路；

竖直放置的接收电路板，所述光电传感器设置在该接收电路板上，组成接收阵列；

传感器阵列控制电路，用于控制所述光电传感器的选通。

所述光电传感器位于接收镜组的接收像面上。

所述光电传感器是光电二极管或雪崩光电二极管。

该装置还包括辅助电路板，该外围电路设置在该辅助电路板上。

该辅助电路板为竖直放置。

该传感器阵列控制电路设置在该接收电路板上。

该传感器阵列控制电路设置在该辅助电路板上。

本实用新型还公开了一种激光雷达装置，该装置包括；所述的激光接收装置。

本实用新型的安装工艺简洁，效率高，良率高，便于量产。同时，本实用新型实现了阵列激光接收器件的集成化和小型化，降低系统尺寸和重量，便于实现设备的低成本和小型化。

附图说明

图1、2所示为美国专利申请US8767190B2的激光雷达中的扫描阵列示意图。

图3A所示为本实用新型的激光雷达装置的结构示意图。

图3B所示为本实用新型的激光雷达装置的一支光路的结构示意图。

图4所示为本实用新型的激光发射装置的结构示意图。

图5所示为本实用新型的激光发射装置的另一实施例的结构示意图。

图6所示为本实用新型的激光发射装置的又一实施例的结构示意图。

图7所示为本实用新型的激光发射装置的又一实施例的结构示意图。

图8A所示为本实用新型的顺序选通发射控制方式示意图。

图8B所示为本实用新型的顺序选通接收控制方式示意图。

图9所示为本实用新型一具体实施例所提供的阵列激光发射装置与投影光斑阵列示例图。

图10所示为本实用新型的激光发射装置的结构示意图。

图11、11A所示为本实用新型的半导体激光器以及光电传感器的排布示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本实用新型的技术方案的实现过程，不作为对本实用新型的限制。

本实用新型公开了一种激光雷达装置，使得安装工艺简洁，效率高，良率高。同时，能够缩小体积，以便于实现设备的低成本和小型化。

如图3A所示为本实用新型的激光雷达装置的结构示意图，其中省略了激光雷达装置的其他公知结构。激光雷达装置通过激光扫描，获取环境中目标物X的三维信息。

激光雷达装置包括激光发射装置100、发射镜组60、接收镜组70、激光接收装置200。

该激光发射装置100具有呈发射阵列排列的N个半导体激光器1，用于发射N个出射光。该N个半导体激光器设置于该激光发射装置100的M个发射电路板上，M小于N，图中所示为N＝16，M＝2，不以此为限，其他数量的半导体激光器1以及发射电路板也在本实用新型的公开范围内。本实用新型通过将多个半导体激光器集中设置在发射电路板上，以降低发射电路板的数量，压缩体积。

发射镜组60，设置在激光发射装置100前方，用于接收并调节该N个出射光的角度。

接收镜组70，与发射镜组60并排设置，且设置在该激光接收装置200的前方，接收镜组70用于调节入射光的角度。

激光接收装置200，该激光接收装置200具有呈接收阵列排列的N个光电传感器6，用于接收经该接收镜组70调节后的入射光。光电传感器6的数量与半导体激光器1的数量一致，同时，发射阵列、接收阵列的排布方式完全相同。也就是说，第n个半导体激光器在该发射阵列中的位置与第n个光电传感器在该接收阵列中的位置相同，n＝1、2……N，N为正整数。

每一个半导体激光器存在一个与之对应的光电传感器，也就是说，无论半导体激光器如何排布，光电传感器以同样方式排布，第n个该半导体激光器发出的出射光经目标物反射后入射至该第n个光电传感器，二者相互配合工作。

该发射镜组60与该接收镜组70的光学参数完全相同，同时，发射阵列相对发射镜组60的位置与接收阵列相对接收镜组70的位置完全相同，如此，使得该发射镜组60与该接收镜组70具有对应光路。

如图3B所示为本实用新型的激光雷达装置的一支光路的示意图。以从上到下，从右到左的顺序对发射阵列中的半导体激光器进行排序，同时，以相同的顺序对接收阵列中的光电传感器进行排序，则图3B中第13个半导体激光器发出的出射光，经发射镜组60调节后，照射在目标物上，经该目标物的反射，再经过接收镜组70调节后，被第13个光电传感器接收。其他排序方式也在本实用新型的公开范围内，其他半导体激光器的工作方式与此相同。

如图4-7所示为本实用新型公开的激光发射装置的结构示意图。

本实用新型的激光发射装置100包括至少一个激光发射模块10，该激光发射模块10进一步包括一发射电路板3、多个半导体激光器1和驱动电路2。

该多个半导体激光器1依次设置在该发射电路板3上，该发射电路板3竖直放置，并安置在一水平本体(图中未示)上，在一优化的实施例中，该多个半导体激光器1依次设置在该发射电路板3的一侧边缘，便于从电路板的边缘出光。

该驱动电路2与该多个半导体激光器1连接以驱动该多个半导体激光器1发光。在一实施例中，同一个驱动电路2可驱动多个半导体激光器1。在另一实施例中，可为每个半导体激光器1分别设置一驱动电路2，各自进行驱动。

该多个半导体激光器1的底面焊接至发射电路板3，垂直于底面的侧面出光，即，多个半导体激光器1的出光方向组成的出光面D与该发射电路板3平行且所有半导体激光器1的出光方向朝向该电路板的同一侧，从边缘向外出射。另外，任意两个经该发射镜组60调节后的出射光的方向不同。

具体来说，如图5所示，在一发射电路板3上纵向排布8个半导体激光器1及对应驱动电路(图5未示该驱动电路)。半导体激光器1所发出激光通过发射镜组60出射。8个半导体激光器从上到下排列，依次具有一定间距，每个间距可以相同也可以不同。例如，相邻两个半导体激光器1的中心间距可以分别是D1、D1、D2、D3、D3、D2和D1,D1>D2>D3。8个半导体激光器均从图5中发射电路板3的左侧出光，经过发射镜组60折射后，8个半导体激光器1相对AA’线的激光出射角度各不相同，且依次变化一个角度，以形成一定角度范围以内的激光扫描视场角度，例如20°-30°范围内的激光扫描视场角度，以实现对目标的电控阵列扫描。可见，每个半导体激光器1的光轴的指向和摆放位置不同，并分别对应一个局部发射视场。每个半导体激光器1的光轴的指向和摆放位置需参照发射镜组60以及系统中激光发射光路设计参数进行设定。

由于半导体激光器1的出光方向组成的出光面D与该发射电路板3平行，且多个半导体激光器1位于同一个发射电路板3上，故而，在安装过程中，为了调整具体的出光方向，仅需调整半导体激光器1的发光侧面相对发射电路板3的AA’线的角度并实现焊接即可，调整至某特定角度以及固定在该特定角度的工艺较为简洁，效率高，良率高，便于量产。同时，由于半导体激光器1位于同一个发射电路板3上，故而无需如现有技术般为每个半导体激光器1设置一电路板，节省了大量的发射电路板3，从而缩小了体积，降低了重量，便于实现设备的低成本和小型化。

如图6所示，本实用新型的另一实施例中，激光发射装置10还可包括多个激光发射模块10，例如四个。如图6所示，四者之间并行设置，优选为平行设置，也可对应堆叠在一起并固定。所有半导体激光器的出光方向朝向同一侧。每个激光发射模块10上的8个半导体激光器1在发射电路板上以不同间距固定排列，32个半导体激光器1中任意两个的出射光经发射镜组60调节后都具有各自不同的出射角度，形成了8行×4列的32线阵列激光发射装置。半导体激光器1的设置角度可根据发射镜组60的光路参数进行调整。例如，每个激光发射模块10如图5所示，经过发射镜组60折射后，8个半导体激光器相对AA’线的激光出射角度各不相同，形成一扇面分布，使得激光出射较为密集。

如图7所示为本实用新型的又一实施例的激光发射装置的结构示意图。

图中可见，激光发射装置100包括两排如图6所示的激光发射模块10，出光方向朝向同一侧。其他排数的多排排列也在本实用新型的公开范围内。如图7所示为64线阵列激光发射装置，任意两个半导体激光器的出光方向不相同，激光分布更加密集。

除图3A中的激光发射装置100的设置方式之外，还包括如图10所示的方式，与图3A的差别之处仅在于，该激光发射装置100包括至少一个激光发射模块10，该激光发射模块10包括一个竖直放置的该发射电路板3，该N个半导体激光器安置在该发射电路板上以组成该发射阵列，该发射阵列中的每一列的出光方向组成的出光面D’与该发射电路板垂直，光学传感器的数量以及排布方式与半导体激光器相同，其余设置方式均与前述实施例相同。也可在一块发射电路板3上设置16个半导体激光器1，则对应设置16个光电传感器，压缩了激光雷达装置的体积，同时，还可利用中国申请CN201720845753.1所记载的半导体激光器1，实现在一块电路板上设置不同的半导体激光器1的出射角度，使得安装过程简单易行，误差较低。也可以设置多个该激光发射模块10，并列设置，每个激光发射模块所包含的半导体激光器共同组成该发射阵列。

另外，参见图8A，激光发射装置100还包括激光发射控制模块5，与所有的激光发射模块10连接，激光发射控制模块5可以控制一个或多个半导体激光器1(LD)及其驱动电路2，并按照程序设定控制该驱动电路2以驱动对应的半导体激光器1依预定次序，依次发射激光。

通过半导体激光器1的阵列排布，激光发射控制模块5对各个半导体激光器进行分时控制，实现对目标区的激光扫描。

该激光发射控制模块5可设置在该发射电路板3上，或者，该激光发射控制模块设置在除发射电路板3之外的控制电路板(图中未示)上，控制电路板通过连接器连接至发射电路板3。

通过上述的布设方式可知，本实用新型的安装工艺简洁，效率高，良率高，便于量产。同时，本实用新型通过电路集成和电控扫描，实现阵列激光发射器件的集成化和小型化，降低系统尺寸和重量，便于实现设备的低成本和小型化。

如图3A所示，本实用新型的激光接收装置200进一步包括：

N个光电传感器单元，每个该光电传感器单元包括该光电传感器6及其外围电路(图中未示)。每个半导体激光器和对应的光电传感器视为一个通道，每个光电传感器单元用以接收光信号，并实现光电信号转换。所述光电传感器单元的光电传感器可以是光电二极管PIN或雪崩光电二极管APD或其它光电转换探测器件。

竖直放置的接收电路板7，该N个光电传感器6设置在该接收电路板7上，该外围电路可设置在该接收电路板7或竖直放置的辅助电路板7’上。

传感器阵列控制电路8，用于控制该N个光电传感器6的选通，该传感器阵列控制电路8可设置在该接收电路板7或辅助电路板7’上，或者单独设置在一控制电路板(图中未示)上，该控制电路板通过连接器连接至该接收电路板7。传感器阵列控制电路8可以控制一个或多个光电传感器及其外围电路，并按照程序设定控制该光电传感器依照预定顺序被选通，或者，由多个传感器阵列控制电路8共同控制该N个光电传感器。

该光电传感器6与对应的半导体激光器1保持同步相应选通，即，当第n个该半导体激光器被选通时，第n个该光电传感器相应的也被选通。

该N个光电传感器位于该接收镜组70的接收像面上，这里认为接收镜组70的接收像面为一平面，也可以是非平面。每个光电传感器可接收到一束从目标物反射回来的入射光，以进行光电转换和对目标的有效测量。

本实用新型通过上述激光接收装置的结构设置，在一个电路板上设置多个光电传感器，使得集成化高，同时，由于无需如现有技术般每个电路板上分别设置一个检测器，安装工艺简洁，效率高，良率高，便于量产。

如图9所示为本实用新型一具体实施例所提供的阵列激光发射装置与投影光斑阵列示例图。作为一种具体实施示例，所有半导体激光器1(LD)的发光面，也就是所有半导体激光器1用于出射光的侧面，均排布在发射镜组60的发射焦面上(这里认为发射镜组60的发射焦面为一平面)，并使发射焦面上相邻半导体激光器1的发射激光束水平方向呈β夹角，垂直方向呈γ夹角。

激光发射控制模块5触发驱动电路2，使各通道的半导体激光器1依次选通发射激光，发射激光沿激光发射光路主光轴9，并经发射镜组60，在目标物M处形成各激光束对应的离散光斑，该离散光斑所对应的各个激光将被激光接收装置200中的光电传感器6所接收，进一步实现了测量区域的电控扫描阵列探测。图中的第2排右起第2个半导体激光器1发出的激光由第2排右起第2个的光电传感器6接收。

更进一步的，图8A为一种顺序选通发射控制方式示意图，每个半导体激光器和对应的光电传感器视为一个通道，激光发射控制模块5依次控制并触发各驱动电路，进而顺序驱动从第1到第n半导体激光器，保证各通道半导体激光发射器顺序发射激光，实现对探测目标的阵列电控扫描。依据激光发射控制电路设定程序，依设置的顺序对各个半导体激光器及光电传感器进行选通，实现对探测目标的阵列电控扫描目的。

如图8B所示为一种顺序选通接收控制方式示意图。传感器阵列控制电路8依照预先设定的光电选通控制逻辑4控制激光接收装置200依照从第1到第n光电传感器的顺序依次选通。与此同时，激光发射装置100也采用了从第1到第n半导体激光器的依次发射顺序。使得第n个该半导体激光器选通时，第n个光电传感器也被选通。

具体来说，对该N个半导体激光器分成多个区块，按照预设的第一顺序，依次选通各该区块，每个区块中依照预设的第二顺序依次选通各个半导体激光器。

更为具体的，在第一选通实施例中，该发射阵列共有X行Y列，每列的第x个半导体激光器组成一行。各列的第x个半导体激光器可以位于相同或不同的高度。如图11中所示为半导体激光器以及光电传感器的排布示意图，可见，每列的第一个半导体激光器组1成第一行L₁，依次类推，每列的最后第一个半导体激光器组成第8行L₈，每一行的半导体激光器可以位于相同高度组成一条直线，也可以位于不同高度组成一条折线。

对于激光发射装置100一侧，在进行激光雷达装置的通道选通时，可先依照从左到右、从右到左、或其他预定的顺序，顺序选通L₁中的各个半导体激光器，随后跳转下一行循环执行该顺序选通的步骤，最后一行L₈完成选通后，继续跳转第一行L₁，直到收到结束信号。依序选通的邻接的两个半导体激光器之间的时间间隔为预先设定，通常该时间间隔保持固定，每一时刻仅有一个半导体激光器被选通。

该行选通次序可以是L₁，L₂，……L₈，也可以是其他预设的行选通次序。

激光接收装置200一侧也依照图11所示排布方式对光电传感器进行排布，且依照与激光发射装置100同样的选通方式，选通所有光电传感器，使得第n个该半导体激光器选通时，相应的选通第n个光电传感器，进而实现该通道的选通。

同理，在第二选通实施例中，与第一选通实施例的行选通不同，本实施例中采用列选通。依次选通一列中的各个半导体激光器，跳转下一列，循环执行该列选通。该列选通次序可以是C₁，C₂，C₃，C₄(参见图11)，也可以是其他预设的行选通次序。

在第三选通实施例中，还可以通过先依次选通奇数个半导体激光器，再依次选通偶数个半导体激光器的方式，例如，假设共32个半导体激光器，则选通顺序可以是1、3、5……31、2、4、6……32。

即,步骤100，选通第2a+1个半导体激光器，a加1，循环执行步骤100，直到2a+1＝N或者2a+1＝N-1，执行步骤200，a＝0、1、2……；

步骤200，选通第2b+2个半导体激光器，b加1，循环执行步骤200，直到2b+2＝N或者2b+2＝N-1，b＝0、1、2……。

在第四选通实施例中，还可以采用其他分块选通的方式，例如图11A中，每四个半导体激光器分为一个区块，则图中共有8个区块。

则可按一预设的第一顺序，例如第1、3、5、7、2、4、6、8区块的顺序，依次选通各个区块，每个区块内部可依照顺时针或逆时针或对角线或其他随机顺序进行选通，一个区块内部的所有半导体激光器均被选通后，再选通下一个区块。

第五选通实施例，依据随机设定的选通顺序进行选通。

基于以上实施例的变形的选通方式也在本实用新型的公开范围中，且随机性较强的选通顺序，其探测加密、防干扰的效果越好。

本实用新型的激光雷达装置，通过预定的选通方式，控制对应的半导体激光器发出激光，经过发射镜组调节后，照射在目标物上，产生反射的激光信号，其作为入射光入射至接收镜组，经接收镜组调节后，聚焦在对应的光电传感器的光敏面上。传感器阵列控制电路8按照该预定的选通方式，分时选通各对应通道的光电传感器，接收目标物上的投影光斑所返回的回波信号，实现对探测目标的电选通阵列扫描接收。

本实用新型的安装工艺简洁，效率高，良率高，便于量产。同时，本实用新型通过对阵列光电传感器的电选通控制，实现了阵列光电传感器的顺序选通或并行选通，提高了空间目标探测的接收灵活性和接收能力，实现目标物的电控扫描阵列探测，摒弃了传统的机械扫描机构，提高了系统的集成化程度，提高了探测目标接收效率，易于实现系统的小型化。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光接收装置，其特征在于，该激光接收装置包括：

多个光电传感器单元，每个该光电传感器单元包括光电传感器及其外围电路；

竖直放置的接收电路板，所述光电传感器设置在该接收电路板上，组成接收阵列；

传感器阵列控制电路，用于控制所述光电传感器的选通。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电传感器位于接收镜组的接收像面上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电传感器是光电二极管或雪崩光电二极管。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括辅助电路板，该外围电路设置在该辅助电路板上。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该辅助电路板为竖直放置。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该传感器阵列控制电路设置在该接收电路板上。

7.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，该传感器阵列控制电路设置在该辅助电路板上。

8.一种激光雷达装置，其特征在于，该装置包括；

如权利要求1-7中任一所述的激光接收装置。