CN215116780U - 一种光发射装置、激光雷达系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光发射装置、激光雷达系统及电子设备，包括沿光轴设置的至少一个激光发射模块以及发射镜组；其中，激光发射模块包括激光发射单元，激光发射单元包括多个发光孔，多个发光孔被设置成将激光发射单元的发光区域配置成主发光区域和补盲发光区域；其中，主发光区域对应的发光孔数量多于补盲发光区域对应的发光孔数量，使得主发光区域的光强能量大于补盲发光区域的光强能量；且主发光区域发出的光束沿着正对光轴的方向出射，而补盲发光区域发出的光束沿着偏离光轴的方向出射；本实用新型光发射装置、激光雷达系统及电子设备可减小雷达的近距离盲区，减小发散角，提高发射端的能量集中度；且可抑制环境光的影响，提高信噪比。

Description

一种光发射装置、激光雷达系统及电子设备

技术领域

本实用新型属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种光发射装置、激光雷达系统及电子设备。

背景技术

目前基于飞行时间原理的激光雷达(LIDAR)系统主要有机械式激光雷达系统和固态激光雷达系统；其中，机械式激光雷达系统通过旋转基座实现360度大视场的距离测量，其发射器一般为点光源以及线光源，通过提高旋转速度，使得发射器发射的激光从“点”或者“线”变成“面”，形成多个面扫描，其具有光束强度集中、精度高的特点，因此在无人驾驶、机器人等领域广受欢迎。

现有的机械式激光雷达方案中，一般采用的是激光二极管(LD)+雪崩光电二极管(APD)的方案；即：采用LD作为发射端的光源，而APD作为接收端探测器；其中，LD和APD通过分别bonding(芯片打线，也称“邦定”)的方式进行定位，发射端的每个LD需要配合镜头设置不同的贴片角度，如此设计使得机械式激光雷达系统的集成度低，且方案中探测器APD的响应低，往往需要较大的接收孔径才能够实现远距离探测，通道匹配精度低，一致性较差，不适合量产。另外，在离轴光学系统中，较大的镜头导致视差较大，当应用于远距测量时，激光雷达系统整机的盲区较大。

其次，发射端采用LD作为光源时，其快轴发散角较大，需要使用快轴压缩的玻璃棒，然而，该玻璃棒的装调反复容易对整机的生产效率产生影响，导致生产效率低。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型创作的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种光发射装置、激光雷达系统及电子设备，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

一种激光雷达系统，包括沿光轴设置的至少一个激光发射模块以及发射镜组；其中：

所述至少一个激光发射模块包括激光发射单元，所述激光发射单元包括多个发光孔，所述多个发光孔被配置成将所述激光发射单元的发光区域设置成主发光区域和补盲发光区域；其中，所述主发光区域对应的发光孔数量多于所述补盲发光区域对应的发光孔数量，进而使得所述主发光区域的光强能量大于所述补盲发光区域的光强能量；且

所述主发光区域发出的光束沿着正对所述光轴的方向经由所述发射镜组出射，而所述补盲发光区域发出的光束沿着偏离所述光轴的方向经由所述发射镜组出射。

在一些实施例中，所述激光发射单元包括VCSEL光源，所述发射镜组包括沿光轴方向设置的准直透镜以及远心镜头；其中，所述VCSEL光源的发光区域被设置成所述主发光区域和所述补盲发光区域，所述主发光区域和所述补盲发光区域发出的光束分别经过所述准直透镜后形成的像面与所述远心镜头的焦面重合，进而完成对所述激光发射单元发射光束的准直发射。

在一些实施例中，还包括有电路板、设置于所述电路板上用于驱动所述VCSEL光源的驱动电路、以及数据接口；其中，所述数据接口连接连接器，以通过所述连接器连接外部设备，进行数据的传输。

在一些实施例中，所述准直透镜为微透镜阵列，所述微透镜阵列包括有多个子微透镜。

本实用新型另一实施例的技术方案为：

一种激光雷达系统，包括前述任一实施例技术方案所述的光发射装置、光接收装置以及控制处理器；其中：

所述光发射装置用于向目标区域发射光束，至少部分发射光束经目标区域反射后形成反射光束，所述反射光束中的至少部分光束被所述光接收装置接收；

所述光接收装置用于接收所述反射光束中的至少部分光束并将所述至少部分光束引导至探测器上；

所述控制处理器分别与所述光发射装置以及光接收装置连接，用于同步所述光发射装置与所述光接收装置的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间，进一步，计算获取目标物体上对应点的深度信息。

在一些实施例中，所述光接收装置包括与所述光发射装置的至少一个激光发射模块对应的至少一个所述探测器以及接收镜组；其中，所述接收镜组用于接收所述激光发射单元的主发光区域和补盲发光区域发出的光束并将所述至少部分光束引导至所述探测器上。

在一些实施例中，所述接收镜组包括有与所述光发射装置的远心镜头相同的接收端远心镜头，以确保光束收发共轭。

在一些实施例中，所述接收镜组的像面位置处设置有光阑孔，以用于限制环境光的强度；所述探测器被配置为位于所述接收镜组的离焦面上。

在一些实施例中，所述控制处理器控制所述光发射装置中的所述至少一个激光发射模块发射光束，并控制所述光接收装置的至少一个探测器接收所述反射光束中的至少部分光束。

本实用新型另一实施例的技术方案为：

一种电子设备，包括存储器、处理器、以及前述实施例技术方案所述的激光雷达系统。

本实用新型技术方案的有益效果是：

相较于现有技术，本实用新型光发射装置、激光雷达系统及电子设备可减小雷达的近距离盲区，减小发射端的发散角，提高发射端的能量集中度；且可抑制环境光的影响，提高信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型一实施例光发射装置的示意图；

图2是本实用新型一实施例光发射装置的激光发射单元及光路的示意图；

图3是本实用新型一实施例光发射装置一个通道的光路示意图；

图4是本实用新型另一实施例激光雷达系统的示意图；

图5是图4实施例的光接收装置的示意图；

图6是图4实施例的光接收装置的一个通道的光路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本实用新型中的具体含义。

另需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1-图3所示，图1为本实用新型一实施例一种光发射装置100的示意图，光发射装置100包括沿光轴设置的至少一个激光发射模块、以及发射镜组；其中，激光发射模块包括激光发射单元101，激光发射单元101包括多个发光孔1010，多个发光孔1010被配置成将激光发射单元101的发光区域设置成主发光区域101a和补盲发光区域101b；其中，主发光区域101a对应的发光孔数量多于补盲发光区域101b对应的发光孔数量，进而使得主发光区域101a的光强能量大于补盲发光区域101b的光强能量；主发光区域101a发出的光束沿着正对光轴L的方向经由发射镜组出射，而补盲发光区域101b发出的光束沿着偏离光轴L的方向经由发射镜组出射。

可以理解的是，主发光区域101a光强能量强，因此主发光区域101a用于向远距离目标发射光束，经反射以得到远距离回波信号；补盲发光区域101b的光强能量弱，因此补盲发光区域101b用于对近距离目标进行补光，经反射得到近距离补光回波信号，从而以减小雷达系统的近距离盲区。

具体的，激光发射单元101包括有VCSEL光源(垂直腔面发射激光器)102，发射镜组包括沿光轴方向设置的准直透镜110以及远心镜头111；其中，VCSEL光源102的发光区域被设置成所述主发光区域101a和补盲发光区域101b，主发光区域101a和补盲发光区域101b发出的光束分别经过准直透镜110后形成的像面与远心镜头111的焦面重合，进而完成对激光发射单元发射光束的准直发射。

在一些实施例中，光发射装置100还包括有电路板(未标号)、设置于电路板上用于驱动光源的驱动电路(未图示)、以及数据接口(未图示)；其中，所述数据接口连接连接器，以通过连接器连接外部设备，进行数据的传输。

在一些实施例中，VCSEL光源102为阵列光源，VCSEL阵列光源中VCSEL光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的。光源发出的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。

在一些实施例中，准直透镜110为微透镜阵列，微透镜阵列包括有多个子微透镜110a。本实用新型实施例采用微透镜阵列可有效降低光发射装置的发散角，提高雷达系统的空间角度分辨率，将原通道的光斑能量分布整形为近高斯型能量分布，提高了光斑中心的能量集中度，有利于目标探测。需要说明的是，在多线激光雷达系统中，每一线对应一个激光发射通道，每个激光发射通道中包含有多个发光孔1010，一个激光发射通道内的多个发光孔1010经过微透镜阵列中的每个子微透镜110a后形成一个缩小的像，经过微透镜阵列后的像面与远心镜头111的焦面重合，以完成该通道的准直发射。

参照图4所示，图4为本实用新型另一实施例一种激光雷达系统的示意图，激光雷达系统包括前述任一实施例技术方案描述的光发射装置100、光接收装置200、以及控制处理器13；其中，光发射装置100用于向目标区域20发射光束30，该光束30发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束30经目标区域20反射后形成反射光束40，反射光束40中的至少部分光束被光接收装置200接收；光接收装置200包括与光发射装置100的至少一个激光发射模块对应的至少一个探测器201以及接收镜组202；其中所述接收镜组202用于接收激光发射单元101的主发光区域101a和补盲发光区域101b发出的光束并将所述至少部分光束引导至所述探测器201上；控制处理器13分别与光发射装置100以及光接收装置200连接，同步光发射装置100与光接收装置200的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间，进一步，计算获取目标物体上对应点的深度信息。

具体的，控制处理器13控制光发射装置100中的所述至少一个激光发射模块发射光束，并控制光接收装置200的至少一个探测器201接收所述反射光束40中的至少部分光束。计算发射光束30与反射光束40之间的飞行时间，进一步计算获取目标物体上对应点的深度信息。

参照图5、图6所示，光接收装置200还包括滤光片203，以用于滤除背景光或杂散光；探测器201包括有像素单元2010，所述像素单元2010包括由多个像素2010a组成的二维像素阵列；在一个实施例中，像素单元2010为由硅光电倍增管(SiPM)组成的像素阵列，所述SiPM可以对入射的单个光子进行响应并输出指示所接收光子在每个SiPM处相应到达时间的信号，利用诸如时间相关单光子计数法(TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。

具体的，接收镜组202包括有与光发射装置100的远心镜头111相同的接收端远心镜头211，以确保光束收发共轭。参照图6所示，在一个实施例中，接收镜组202的像面位置处设置有光阑孔124，以用于限制环境光的强度；探测器201被配置为位于所述接收镜组202的离焦面上，从而使得光能量均匀的分布到探测器201上，以充分发挥SiPM的探测性能。

在本实用新型实施例中，光发射装置100的准直透镜110与光接收装置的接收镜组202采用整体独立装配方式，如此设计便于镜头的安装与独立检测，进而提高产品的良率。

在一些实施例中，激光雷达系统还包括有旋转机构(未图示)，以用于带动光发射装置100、光接收装置200、以及控制与处理电路13以稳定的转速旋转，从而实现激光雷达系统的扫描。

在一些实施例中，还包括有主控底板(未图示)，所述光发射装置100、光接收装置200、以及控制与处理电路13安装于主控底板上；主控底板上设置有数据接口，所述数据接口连接连接器，以通过连接器连接外部设备，控制与处理电路处理完信号后，通过光通信将信号传输至主控底板上，通过连接器以将数据传输至外部设备。

作为本实用新型另一实施例，还提供一种电子设备，所述电子设备可以是台式、桌面安装设备、便携式设备、可穿戴设备或车载设备以及机器人等。具体的，电子设备包括：存储器、处理器以及前述任一实施例所述的激光雷达系统。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本创作的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种光发射装置，其特征在于：包括沿光轴设置的至少一个激光发射模块以及发射镜组；其中：

所述至少一个激光发射模块包括激光发射单元，所述激光发射单元包括多个发光孔，所述多个发光孔被配置成将所述激光发射单元的发光区域设置成主发光区域和补盲发光区域；其中，所述主发光区域对应的发光孔数量多于所述补盲发光区域对应的发光孔数量，进而使得所述主发光区域的光强能量大于所述补盲发光区域的光强能量；且

所述主发光区域发出的光束沿着正对所述光轴的方向经由所述发射镜组出射，而所述补盲发光区域发出的光束沿着偏离所述光轴的方向经由所述发射镜组出射。

2.根据权利要求1所述的光发射装置，其特征在于：所述激光发射单元包括VCSEL光源，所述发射镜组包括沿光轴方向设置的准直透镜以及远心镜头；其中，所述VCSEL光源的发光区域被设置成所述主发光区域和所述补盲发光区域，所述主发光区域和所述补盲发光区域发出的光束分别经过所述准直透镜后形成的像面与所述远心镜头的焦面重合，进而完成对所述激光发射单元发射光束的准直发射。

3.根据权利要求2所述的光发射装置，其特征在于：还包括有电路板、设置于所述电路板上用于驱动所述VCSEL光源的驱动电路、以及数据接口；其中，所述数据接口连接连接器，以通过所述连接器连接外部设备，进行数据的传输。

4.根据权利要求2所述的光发射装置，其特征在于：所述准直透镜为微透镜阵列，所述微透镜阵列包括有多个子微透镜。

5.一种激光雷达系统，其特征在于：包括如权1-4任一项所述的光发射装置、光接收装置以及控制处理器；其中：

所述光发射装置用于向目标区域发射光束，至少部分发射光束经目标区域反射后形成反射光束，所述反射光束中的至少部分光束被所述光接收装置接收；

所述光接收装置用于接收所述反射光束中的至少部分光束并将所述至少部分光束引导至探测器上；

所述控制处理器分别与所述光发射装置以及光接收装置连接，用于同步所述光发射装置与所述光接收装置的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间，进一步，计算获取目标物体上对应点的深度信息。

6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于：所述光接收装置包括与所述光发射装置的至少一个激光发射模块对应的至少一个所述探测器以及接收镜组；其中，所述接收镜组用于接收所述激光发射单元的主发光区域和补盲发光区域发出的光束并将所述至少部分光束引导至所述探测器上。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于：所述接收镜组包括有与所述光发射装置的远心镜头相同的接收端远心镜头，以确保光束收发共轭。

8.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于：所述接收镜组的像面位置处设置有光阑孔，以用于限制环境光的强度；所述探测器被配置为位于所述接收镜组的离焦面上。

9.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于：所述控制处理器控制所述光发射装置中的所述至少一个激光发射模块发射光束，并控制所述光接收装置的至少一个探测器接收所述反射光束中的至少部分光束。

10.一种电子设备，其特征在于：包括存储器、处理器以及权利要求5-9任一项所述的激光雷达系统。

Images