CN216646803U - 光收发模组及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供了一种光收发模组及激光雷达，所述光收发模组包括：光发射模块和光接收模块，其中：所述光发射模块，适于发出探测光束；所述光接收模块，适于接收所述探测光束被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；并且，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。上述方案可以提高光发射模块发光面和光接收模块光敏面的设计裕量，因此可以提高对光精度，进而保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及光学感知技术领域，尤其涉及光收发模组及激光雷达。
背景技术
根据目前业内统一使用、由国际汽车工程师协会(Society of AutomotiveEngineers International，SAE International)制定的自动驾驶分级制度，自动驾驶根据自动化程度从低到高分为L0、L1、L2、L3、L4和L5共六个级别，其中，L4和L5分别为超高速自动驾驶及全自动驾驶，是自动化程度最高的两个等级，驾驶员无须应对激烈驾驶情况，甚至可以安心睡觉或离开座位。
为了实现自动化程度更高的自动驾驶，自动驾驶行业亟需能够车规量产的高性能激光雷达作为L4以上级别的主要传感器，而目前相对成熟的技术仍然是机械式激光雷达，只能做到128线，在部分加密区域的垂直分辨率接近0.1°。要达到近200米的测距能力，这种激光雷达一般基于边缘发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)和雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)作为光收发模组的核心部件，其生产成本和效率都非常不利于推广应用。
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和硅光电倍增管(Silicone Photomultiplier，SiPM)正在逐渐体现出相比于EEL和APD组成的光收发模组的明显优势，容易得到更高分辨率的激光雷达，并且其性能也在逐渐逼近甚至超过后者。其中，VCSEL是垂直出光，与SiPM组合可以使用对称的光路，对光效率非常高，并且在各种振动和温度下都非常稳定；并且，SiPM采用了低压互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工艺，因此很适合与读出电路集成。这些都使得构建一个高密度一维(High Definition 1Dimension，HD1D)线阵成为可能，为快速生产低成本、高性能的激光雷达铺平了道路。
然而，单个的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)很难用在高性能的激光雷达上，这是因为，一旦SPAD被触发，这个器件就需要几十ns的响应和恢复时间。当回波信号很强时，单个SPAD单次探测难以准确地反映回波信号的时间，必须要成百上千的脉冲做统计才可以得到飞行时间(Time of Flight，ToF)信息。因此，必须将很多个SPAD组合成SiPM阵列。
激光雷达的光收发模组使用VCSEL和SiPM组合的一个好处是收发电路板都垂直于光轴，当光机结构由于温度或应力有轻微变形时，特别是电路板本身的翘曲，不会造成严重的对光位置变化，也就是说，收发通道的对应关系是基本稳定的。这样的光路架构使得整体对光成为可能，大大节约装调时间。
然而，为了保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性，需要进一步提高光收发模组的对光精度，而如何提高对光精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种光收发模组及激光雷达，能够提高对光精度，进而保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性。
首先，本实用新型实施例提供了一种光收发模组，包括：光发射模块和光接收模块，其中：
所述光发射模块，适于发出探测光束；
所述光接收模块，适于接收所述探测光束被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
并且，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
可选地，所述光发射模块包括：多个发光单元，每个发光单元包括多个发光点，多个所述发光单元的各个阴极或者阳极共用，且每个发光单元分别具有连接点，所述连接点分别电连接至相对应的每个发光单元未共用的阳极或者阴极；
所述光接收模块包括：多个探测单元，每个探测单元包括探测区块和连接点，且至少一个探测单元与一个发光单元构成一个探测通道。
可选地，所述发光单元包括两个发光区块，每个发光区块包括至少一个所述发光点，所述两个发光区块的阴极共用，每个发光区块分别具有一个连接点。
可选地，所述光发射模块中多个发光单元沿竖直方向呈多列分布，且多列发光单元相互交错，使得每个发光单元发出的探测光束在垂直方向上相互错开；
所述光接收模块中多个探测单元沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，每个探测单元均与相对应的发光单元的视场交叠分布。
可选地，所述发光单元为独立封装的激光器，每个发光区块具备单独的衬底。
可选地，所述光发射模块中的多个发光单元中至少其中一部分发光单元集成封装为一个光发射器件；
所述光发射模块还包括：驱动器件，且所述驱动器件包括多个驱动单元，每个驱动单元适于驱动所述光发射器件中相应的发光单元发出探测光束。
可选地，所述光发射器件中各发光单元的连接点与发光区块分别按列排布。
可选地，所述光发射器件包括：
多列交错排布的发光区块；
以及单列排布的各发光区块对应的连接点，且所述单列排布的连接点设置于所述光发射器件的侧部区域；
所述驱动器件，设置于靠近所述光发射器件中发光单元的连接点的一侧，其中各驱动单元的连接点分别与相应发光单元的连接点电连接。
可选地，所述光发射模块包括多个光发射器件以及多个所述驱动器件，其中：
多个所述光发射器件沿竖直方向呈多列分布，且所述多列光发射器件相互交错；
多个所述驱动器件，分别设置于对应的光发射器件的靠近发光单元的连接点的一侧。
可选地，所述光发射模块包括两列光发射器件，且所述两列光发射器件呈中心对称分布，且其中各光发射器件中发光单元的连接点均位于所述两列光发射器件中发光单元的发光区块形成的发光区域的外侧区域。
可选地，所述光发射器件包括两列沿竖直方向排列的发光单元，两列发光单元呈交错分布，且两列发光单元的发光区块形成的发光区域位于所述光发射器件的中间区域，连接点分别设置于所述光发射器件的侧部区域。
可选地，每个光发射器件对应两个驱动器件，分别设置于对应的光发射器件靠近对应列发光单元的连接点的一侧。
可选地，所述光发射模块包括多个所述光发射器件和多个所述驱动器件，其中：
多个所述光发射器件，沿竖直方向呈多列分布，且多列光发射器件相互交错；
多个所述驱动器件，分别设置于相应光发射器件中相应列发光单元的连接点的一侧。
可选地，所述光接收模块中多个探测单元中至少部分探测单元集成封装为一个光探测器件。
可选地，所述光探测器件中多个探测单元沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，使得每个探测单元的视场主轴相互错开。
可选地，所述光探测器件包括两列探测单元，其中，每个探测单元包括一个探测区块和与探测区块对应的两个连接点，且所述光探测器件中各探测区块共两列交错分布于所述光探测器件的中间区域，各探测区块对应的连接点均设置于所述光探测器件的侧部区域。
可选地，所述光接收模块包括多列光探测器件，多列探测器件交错分布并与相应的光发射器件位置对应。
可选地，所述光发射器件包括垂直腔面发射激光器，所述光探测器件包括硅光电倍增管。
本实用新型实施例还提供了一种激光雷达，包括：
光收发模组，适于发出探测光束及接收被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
处理模块，适于控制所述光收发模组发出探测光束，并基于所述探测光束和所述回波光束对应的电信号，得到目标物测量信息；
所述光收发模组包括：光发射模块和光接收模块，其中：
所述光发射模块，适于发出探测光束；
所述光接收模块，适于接收所述探测光束被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
并且，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
采用本实用新型实施例的光收发模组，其中，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，则二者的视场交叠区域即是有效视场对应的焦平面区域，并且，由于所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直，从对光裕量效果的角度看，光发射模块和光接收模块在第一方向和第二方向的允许误差是一致的，从而可以提高光发射模块发光面和光接收模块光敏面的设计裕量，因此可以提高对光精度，进而保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
进一步地，所述光发射模块多个发光单元，且所述多个发光单元的阴极或者阳极共用，且每个发光单元分别具有连接点，所述连接点分别电连接至相对应的每个发光单元未共用的阳极或阴极，由于所述多个发光单元的阴极或者阳极共用，因此可以减少每个发光单元的连接点的面积，提高光发射模块的能量和排布密度；并且，由于每个探测单元与一个相对应的发光单元构成一个探测通道，而一个发光单元可以包括多个发光点，因此可以提高各个探测通道的能量密度，提高能量利用率，因此，采用包含上述光发射模块和光接收模块的光收发模组，可以提高探测精度。
进一步地，由于所述光发射模块中多个发光单元沿竖直方向呈多列分布，且多列发光单元相互交错，使得每个发光单元发出的探测光束在垂直方向上相互错开，并且相应的光接收模块中多个探测单元也沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，每个探测单元均与相对应的发光单元的视场垂直交叠分布，从而可以提高光收发模组及包含所述光发射模块的激光雷达垂直方向分辨率，进而可以提高探测得到的激光点云的密度。
进一步地，所述光发射模块中的多个发光单元中的至少其中一部分发光单元集成封装为一个光发射器件，这样光发射器件内部中各发光单元的间隙可以进一步缩小，单位面积内发光单元的密度更高，同时配合包含多个驱动单元的驱动器件进行驱动，可以减小整个光发射模块的整体尺寸，进而可以缩小应用其的激光雷达的体积。
进一步地，所述光发射器件包括两列沿竖直方向排列的发光单元，两列发光单元呈交错分布，且两列发光单元的发光区块形成的发光区域位于所述光发射器件的中间区域，连接点分别设置于所述光发射器件的侧部区域，可以进一步减小所述光发射模块的整体尺寸，且使得能量利用率进一步提高。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型实施例中光收发模组的结构示意图；
图2A和图2B示出了本实用新型实施例的光收发模组中光发射模块和光收发模块的视场关系可选示例示意图；
图3A示出了本实用新型实施例中一种发光单元的结构示意图；
图3B示出了图3A所示发光单元对应的一种探测单元的结构示意图；
图4A示出了本实用新型实施例中一种光发射模块中多个激光器的布局结构示意图；
图4B示出了图4A所示的光发射模块对应的一种光接收模块中探测单元的布局结构示意图；
图5A示出了本实用新型实施例中一种光发射器件的布局结构示意图；
图5B示出了采用图5A所示光发射器件的光发射模块的布局结构示意图；
图6A示出了本实用新型实施例中另一种光发射器件的布局结构示意图；
图6B示出了采用图6A所示光发射器件的一种光发射模块的布局结构示意图；
图7A示出了本实用新型实施例中一种光探测器件的布局结构示意图；
图7B示出了采用图7A所示的光探测器件的一种光接收模块的布局结构示意图；
图8示出了满足图2A所示的视场关系的光收发模组的探测率仿真示意图；
图9A示出了现有技术中一种光收发模组的视场关系示意图；
图9B示出了满足图9A所示的视场关系的一种光收发模组的探测率仿真示意图；
图10A示出了现有技术中另一种光收发模组的视场关系示意图；
图10B示出了满足图10A所示的视场关系的另一种光收发模组的探测率仿真示意图；
图11示出了本实用新型实施例中激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
为了提高对光精度，保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性，本实用新型实施例提供相应的光收发模组及应用所述光收发模组的激光雷达，其中，所述光收发模组中的光发射模块和光接收模块的视场相对垂直交叠，并且，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
采用上述光收发模组，从对光裕量效果的角度看，光发射模块和光接收模块在第一方向和第二方向的允许误差是一致的，从而可以提高光发射模块发光面和光接收模块光敏面的设计裕量，因此可以提高对光精度，进而保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
为使本领域技术人员更好地理解本实用新型实施例的技术构思及技术原理，明了其技术优点及效果，以下结合附图，通过一些具体应用示例进行详细说明。
首先，本实用新型实施例提供了一种光收发模组，参照图1所示的光收发模组的结构示意图，光收发模组10包括：光发射模块A和光接收模块B，其中：
所述光发射模块A，适于发出探测光束；
所述光接收模块B，适于接收所述探测光束被目标物C反射的回波光束，并转换为电信号。
其中，所述光发射模块A和所述光接收模块B的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
采用上述实施例，所述光发射模块A和所述光接收模块B的视场相互交叉，其中形成一个一定的重叠区域，即是有效视场区域。
例如，若光发射模块A和光接收模块B的视场覆盖区域均为矩形，第一方向和第二方向分别对应两个垂直的边长方向。其中，光发射模块A在第一方向上的视场尺寸为V1，在第二方向上的视场尺寸为H1，光接收模块B在第一方向上的视场尺寸为V2，在第二方向上的视场尺寸为H2，则V1＞V2，H1＜H2。光发射模块A和光接收模块B分别采用上述视场尺寸，则相应的有效视场面积为V2*H1/f2，其中f为焦距。
参照图2A和图2B所示的光收发模组中光发射模块和光接收模块的视场关系可选示例示意图。光发射模块A和光接收模块B的视场覆盖区域均为矩形。
首先参照图2A所示的光发射模块A和光接收模块B的一种视场关系示例，假设第一方向为水平方向，第二方向为垂直方向，光发射模块A的视场Aa的水平方向尺寸为V1A，垂直方向尺寸为H1A，V1A＞H1A，光接收模块B的视场Ba的水平方向尺寸为V2A，垂直方向尺寸为H2A，且H2A＞V2A。如图2A所示，在水平方向上，光发射模块A的视场尺寸V1A大于光接收模块B的视场尺寸V2A，即V1A＞V2A；在垂直方向上，光发射模块A的视场尺寸H1A小于光接收模块B的视场尺寸H2A，即H1A＜H2A。
接着参照图2B所示的光发射模块A和光接收模块B的另一种视场关系示例，假设第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向，光发射模块A的视场Ab的水平方向尺寸为V1B，垂直方向尺寸为H1B，V1B＜H1B，光接收模块B的视场Bb的水平方向尺寸为V2B，垂直方向尺寸为H2B，且H2B＜V2B。如图2B所示，在水平方向上，光发射模块A的视场尺寸V1B小于光接收模块B的视场尺寸V2B，即V1B＜V2B；在垂直方向上，光发射模块A的视场尺寸H1B＞光接收模块B的视场尺寸H2B，即H1B＞H2B。
由上述示例可知，采用上述光收发模块，光发射模块A发出的探测光束返回的光斑的主要能量分布在光接收模块的有效面积上，可以形成一个近似“十”字形，如果在水平方向上，光发射模块的光斑与光接收模块的宽度大，则垂直方向上光发射模块光斑比光接收模块小；如果在水平方向上，光发射模块光斑比光接收模块宽度小，则垂直方向上，光发射模块光斑比光接收模块小。这样，当存在光学、结构、贴片、温漂等对光误差的时候，仍然能够保持同样的重合面积和测距能力，因而能够提高对光精度，进而保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性。
本领域技术人员可以理解的是，以上仅为示例性说明，本实用新型实施例中并不限定光发射模块A和光接收模块B的具体分布形状，也不限定所述光发射模块A和光接收模块B的视场的形状或具体尺寸(例如，所述光发射模块和光接收模块及其对应的视场的形状还可以为椭圆形、菱形等)，另外，本实用新型实施例中也不限定所述第一方向和所述第二方向的具体方向，只要所述第一方向和所述第二方向相对垂直，只要二者的视场相对垂直交叠，且在相互垂直的第一方向和第二方向上满足上述尺寸关系即可。
另外需要说明的是，图1所示的光收发模组10并不用于限定光发射模块和光接收模块实际的相对位置关系，二者形成的光收发模组可以为旁轴系统，也可以为同轴系统，只要光发射模块和光接收模块的视场相对垂直交叉，且满足上述关系，能够垂直交叠即可。目标物C也仅为可探测的任一物体示例，并不表示某一具体物体。
在具体实施中，光发射模块可以采用多种类型的光发射器件，本实用新型实施例中以激光器为例进行示例。更具体地，激光器可以采用VCSEL、PCSEL。同样地，光接收模块也可以采用多种类型的光探测器件，本实用新型实施例中以SiPM、SPAD(s)为例进行示例。可以理解的是，本实用新型中有关光发射器件和光探测器件的具体示例并不用于限定本实用新型的保护范围，而仅是为了便于理解结合具体应用场景的说明性示例。
在本实用新型一些实施例中，光发射模块具体可以包括多个发光单元，每个发光单元包括多个发光点，多个所述发光单元的各个阴极或者阳极共用，且每个发光单元分别具有连接点，所述连接点分别电连接至相对应的每个发光单元未共用的阳极或者阴极。所述光接收模块可以包括：多个探测单元，每个探测单元包括探测区块和连接点，且至少一个探测单元与一个发光单元构成一个探测通道。
在具体实施中，各探测单元与各自相应的发光单元对应的视场可以均是相对垂直交叠，且各发光单元在所述第一方向上的视场尺寸大于相对应的探测单元的视场尺寸，在所述第二方向上的视场尺寸小于相对应的探测单元的视场尺寸。
当存在光学、结构、贴片、温漂等对光误差的时候，通过使各探测单元与各自相应的发光单元对应的视场均相互垂直交叠，且满足上述尺寸对应关系，能够使得各探测通道探测到的点云，也就是每个点云在焦平面上的有效面积，或者激光雷达每个点云的有效探测角度范围均能够保持同样的重合面积和测距能力，因而能够提高对光精度，进而保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性。
在具体实施中，所述连接点具体可以为打线焊盘或者其他形式的接线部件。
在本实用新型一些实施例中，所述发光单元包括两个发光区块，所述两个发光区块的阴极共用，每个发光区块分别具有一个连接点。作为一具体示例，参照图3A所示的一种发光单元的结构示意图，发光单元3a包括发光区块31A和发光区块32A，所述发光区块31A和发光区块32A的阴极共用，且发光区块31A具有连接点31a，发光区块32A具有连接点32a。在具体实施中，所述发光单元3a可以为独立封装的激光器，其中的发光区块31A和发光区块32A分别具备单独的衬底。
在本实用新型一些实施例中，对应图3A所示的发光单元，可以采用如图3B所示的探测单元3b，具体而言，探测单元3b包括两个探测区块，即探测区块31B和探测区块32B，其中，探测区块31B对应的连接点31b，探测区块32B对应连接点32b。
可以理解的是，一个探测单元也可以仅包含一个探测区块。不论一个探测单元包含几个探测区块，在具体实施中，可以一个探测区块对应一个或多个发光区块，或者一个发光区块对应多个探测区块均可。
在本实用新型一些实施例中，所述光发射模块中多个发光单元沿竖直方向呈多列分布，且多列发光单元相互交错，使得每个发光单元发出的探测光束在垂直方向上相互错开；相应地，所述光接收模块中多个探测单元向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，每个探测单元均与相对应的发光单元的视场垂直交叠分布。若发光单元包括多个发光区块，则每个发光区块均有一个视场与之垂直交叠的探测区块。
作为一具体示例，以下结合图4A和图4B，示出一种光发射模块和光接收模块的具体布局结构。
首先，参照图4A所示的光发射模块中多个激光器的布局结构示意图，光发射模块4a包括两列(即第4a-0列及第4a-1列)沿竖直方向排列的多个激光器4ai，其中第4a-0列及第4a-1列激光器相互交错，这样，每个激光器4ai发出的探测光束在垂直方向上可以相互错开。更具体地，如图4A所示，每个激光器4ai均包括两个发光区块，每个发光区块均具有相应的连接点。
接着，参照图4B所示的光与图4A所示的光发射模块对应的一种光接收模块中探测单元的布局结构示意图。光接收模块4b包括两列(即第4b-0列及第4b-1列)沿竖直方向排列的多个探测器4bj，其中第4b-0列及第4b-1列探测器相互交错，这样，每个探测器4bj在对应的回波光束在垂直方向(即视场主轴)上可以相互错开。其中，每个探测器4bj均包含一个探测区块，每个探测区块具有相应的连接点。
结合图4A和图4B可知，图4A中每个激光器4ai对应图4B中两个探测器4bj。采用由图4A所示的光发射模块4a和图4B所示的光接收模块4b所组成的光收发模组，每个激光器4ai均有视场与之垂直交叠的探测器4bj与之对应，因此从对光裕量效果的角度看，不论水平方向还是垂直方向，每个激光器和探测器均有一定的允许误差，且在这两个方向上的允许误差是一致的，因此可以提高光发射模块发光面和光接收模块光敏面总体的设计裕量，进而可以提高对光精度，保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
并且，通过光发射模块多列激光器交错分布，以及与之对应的光接收模块中多列探测器的交错分布，可以提高光发射模块及包含所述光发射模块的激光雷达垂直方向分辨率，进而可以提高探测得到的激光点云的密度。
在具体实施中，两列交错分布的激光器的连接点可以位于光发射模块的同一侧。相对应地，两列交错分布的探测器的连接点可以位于光接收模块的同一侧。
为了提高光发射模块的能量利用率，也可以如图4A所示，光发射模块4a中各激光器4ai呈中心对称排列，两列激光器4a-0和4a-1中各激光器4ai的发光区块均位于光发射模块4a的中间区域，连接点分别设置于所述光发射模块4a的侧部区域。相对应地，继续参照图4B，光接收模块4b中两列光探测器件4b-0和4b-1呈中心对称排列，两列光探测器件4bj的探测区块均位于光接收模块4b的中间区域，连接点分别设置于所述光接收模块4b的侧部区域。
在具体实施中，为了提高器件的集成度，减小激光雷达的体积，所述光发射模块中的多个发光单元中至少其中一部分发光单元可以集成封装为一个光发射器件。类似地，多个探测单元中的至少其中一部分探测单元也可以集成封装为一个光探测器件。具体而言，两个或者两个以上的发光单元可以封装为一个光发射器件；两个或者两个以上的探测单元可以封装为一个光探测器件。在激光雷达应用中，可以根据所需要的探测精度，若具体应用需要采用128线的激光雷达，且每个发光单元仅包含一个发光区块，则可以选用8个封装了16个发光单元的光发射器件；相对应的，若每个探测单元仅包含一个探测区块，则可以选用8个封装了16个探测单元的光探测器件。
在具体应用过程中，光发射模块还可以包括驱动器件，且所述驱动器件可以包括多个驱动单元，每个驱动单元适于响应于驱动信号驱动所述光发射器件中相应的发光单元发出探测光束。
为了提高器件集成度及便于布线，所述光发射器件中各发光单元的连接点与发光区块可以分别按列排布。
在本实用新型一些实施例中，光发射器件包括：多列交错排布的发光区块；以及单列排布的各发光区块对应的连接点，且所述单列排布的连接点设置于所述光发射器件的侧部区域；相应地，所述驱动器件，设置于靠近所述光发射器件中发光单元的连接点的一侧，其中各驱动单元的连接点分别与相应发光单元的连接点电连接。
如前所述，在具体实施中，所述光发射模块可以包括多个光发射器件以及多个所述驱动器件，其中：多个所述光发射器件可以沿竖直方向呈多列分布，且所述多列光发射器件相互交错；多个所述驱动器件，可以分别设置于对应的光发射器件的靠近发光单元的连接点的一侧。
参照图5A所示的一种光发射器件的布局结构示意图，光发射器件5a包括位于其右侧部的两列(第5a-0列、5a-1列)发光区块5ai，且这两列发光区块5ai交错分布，以及位于光发射器件5a左侧部区域的一列(第5a-w)连接点5am。对于图5A所示的光发射器件5a，可以采用单侧驱动，例如，在所述光发射器件5a的左侧布置驱动芯片50，驱动芯片50中各驱动单元(未示出)通过连接点(未示出)分别与相应发光单元的连接点5am电连接。
在本实用新型一实施例中，采用图5A所示的光发射器件的光发射模块如图5B所示，其中，所述光发射模块5b可以包括多个光发射器件52，所述多个光发射器件52呈两列(即：第52-0列及第52-1列)交错分布。可选地，所述两列光发射器件52呈中心对称分布，且其中各光发射器件52中发光单元的连接点5am均位于所述两列光发射器件52中发光单元的发光区块形成的发光区域的外侧区域。相对应地，每个光发射器件52配置一个驱动芯片53，每个驱动芯片53均位于相应光发射器件52靠近连接点区域的一侧，即采用单侧驱动的方式。如图5B所示，在光发射器件形成的中间发光区域的两侧，相应设置了两列(即：第53-0列及第53-1列)驱动芯片。在具体实施中，所述光发射模块5b还可以包括光发射电路板51，各光发射器件52和驱动芯片53可以按照图5B所示布局布置在光发射电路板51上。
作为一具体示例，接着参照图5B，两列光发射器件中任意相邻的两个光发射器件52在垂直方向上可以相互衔接，紧凑分布，从而形成一个HD1D的线阵，进一步提高光收发模组垂直方向的视场尺寸。
需要说明的是，光发射器件的具体布局结构并不限于上述实施例结构，在具体实施中，可以根据需求采用不同的布局结构。以下示出另一种布局结构。
作为一具体示例，光发射器件包括两列沿竖直方向排列的发光单元，两列发光单元呈交错分布，且两列发光单元的发光区块形成的发光区域位于所述光发射器件的中间区域，连接点分别设置于所述光发射器件的侧部区域。若采用这一布局结构的光发射器件，作为一可选示例，光发射模块中每个光发射器件对应两个驱动器件，可以分别设置于对应的光发射器件靠近对应列发光单元的连接点的一侧，即双侧驱动。采用双侧驱动，可以使光发射器件的尺寸得到进一步缩小，并且能量利用率更高。
参照图6A所示的光发射器件的布局结构示意图，在本实用新型另一些实施例中，为了进一步优化激光雷达性能，可以采用双侧驱动。首先如图6A所示，光发射器件6a包括两列(即第6a-0，第6a-1列)沿竖直方向排列的发光单元6ai，两列(即第6a-0，第6a-1列)发光单元6ai呈交错分布，且两列发光单元的发光区块61均位于所述光发射器件6a的中间区域，连接点61a分别设置于所述光发射器件6a的侧部区域。
对于图6A所示光发射器件，在具体应用过程中，为驱动所述光发射器件发光，可以在所述光发射器件6a左右两侧分别布置两个驱动芯片，驱动芯片中驱动单元的连接点分别与相应侧对应的发光单元6ai的连接点电连接。
在本实用新型一实施例中，采用图6A所示的光发射器件的光发射模块如图6B所示，其中，所述光发射模块6b可以包括多个光发射器件62，所述多个光发射器件62呈两列交错分布。可选地，所述两列光发射器件62呈中心对称分布，且其中各光发射器件62中发光单元的连接点均位于所述两列光发射器件62中发光单元的发光区块形成的发光区域的外侧区域。相对应地，每个光发射器件62配置两个驱动芯片63，这两个驱动芯片63分别位于相应光发射器件62靠近连接点区域的一侧，即采用双侧驱动的方式。如图6B所示，在光发射器件62形成的中间发光区域的两侧，相应设置了两列驱动芯片。在具体实施中，所述光发射模块6b还可以包括光发射电路板61，各光发射器件62和驱动芯片63可以按照图6B所示布局布置在光发射电路板61上。
作为一具体示例，继续参照图6B，两列光发射器件62中任意相邻的两个光发射器件62在垂直方向上可以相互衔接，紧凑分布，从而形成一个HD1D的线阵，进一步提高光发射模块垂直方向的视场尺寸。
如前所述，光接收模块中多个探测单元中至少部分探测单元集成封装为一个光探测器件。在本实用新型一些实施例中，光探测器件中多个探测单元沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，使得每个探测单元在垂直方向上相互错开。
参照图7A所示的一种光探测器件的布局结构示意图，其中，光探测器件7a包括两列(第7a-0列及第7a-1列)探测单元，每个探测单元可以包括一个探测区块71和与探测区块71对应的连接点71a，其中，一个探测区块71可以对应两个连接点71a。此外，继续参照图7A，除了与探测区块71对应的连接点，还可以设置一些其他的连接点，例如其中一些连接点适于提供控制信号，或者仅作为空的备用连接点。作为可选示例，所述光探测器件7a中各探测区块71共两列交错分布于所述光探测器件7a的中间区域，各探测区块71对应的连接点71a均设置于所述光探测器件7a的侧部区域。
在具体实施中，若光收发模组中的光发射模块包括多列光发射器件，相对应地，所述光接收模块可以包括多列光探测器件，且多列探测器件交错分布并与相应的光发射器件位置对应。参照图7B所示的光接收模块的布局结构示意图，其中，例如对于图6B所示的光发射模块6b，若采用图7A所示的光探测器件7a，则对应的光接收模块可以采用如图7B所示的布局结构。具体而言，光接收模块7b可以包括：两列(即第7b-0列及第7b-1列)光探测器件72沿垂直方向交错分布，在具体实施中，这两列可以布置在光接收电路板71上，并紧凑布局，以缩小光接收模块7b的尺寸。
为使本领域技术人员更加直观地认识采用本实用新型实施例的技术效果，通过将本实用新型实施例方案与两种现有技术中布局结构的光收发模组的探测率进行仿真对比。
图8示出了满足图2A所示的视场关系的光收发模组的光探测率仿真示意图，从中可以看出，采用满足图2A所示的视场关系的光收发模组，在探测距离Ds大约小于220m的范围内，探测率Dr基本保持为1，在探测距离Ds大于220m之后，探测率Dr才开始缓慢衰减。
以下简要与本实用新型实施例的光收发模组中光发射模块和光接收模块视场关系不同的另两种光收发模组。
其中一种光收发模组中，光发射模块和光接收模块的视场均为圆形，其中，光发射模块的视场尺寸小于光接收模块的视场尺寸。如图9A所示的一种光收发模组的视场关系示意图，其中，光发射模块的视场TX1的半径T0小于光接收模块RX1的半径R0，即T0＜R0。图9B示出了满足图9A所示的视场关系的光收发模组的探测率仿真示意图，从中可以明显看出，在探测距离Ds大约小于180m的范围内，探测率Dr基本保持为1，在探测距离Ds大于180m之后，探测率Dr即开始快速衰减。
另一种光收发模组中，光发射模组和光接收模块的视场均为正方形，其中，光发射模块的视场尺寸小于光接收模块的视场尺寸。如图10A所示的一种光收发模组的视场关系示意图，光发射模块的视场TX2和光接收模块RX2的视场均为圆角正方形，其中光发射模块的视场TX2的边长Ta小于光接收模块的视场RX2的边长Ra，即Ta＜Ra。图10B示出了满足图10A所示的视场关系的光收发模组的光效率仿真示意图，从中可以明显看出，在探测距离Ds大约小于190m的范围内，探测率Dr基本保持为1，在探测距离Ds大于190m之后，探测率Dr即开始快速衰减。
由以上仿真对比试验可知，采用本实用新型实施例中的光收发模组，能够提高对光精度。
在具体实施中，所述光收发模组可以应用于多种设备，作为其中一种具体应用，可以应用于激光雷达，参照图11所示的一种激光雷达的结构示意图，其中，激光雷达110可以包括：光收发模组111和处理模块112，其中：
光收发模组111，适于发出探测光束及接收被目标物(例如目标物P)反射的回波光束，并转换为电信号；
处理模块112，适于控制所述光收发模组发出探测光束，并基于所述探测光束和所述回波光束对应的电信号，得到目标物测量信息。
在本实用新型实施例中，所述光收发模组111可以包括：光发射模块11A和光接收模块11B，其中：
所述光发射模块11A，适于发出探测光束；
所述光接收模块11B，适于接收所述探测光束被目标物(例如目标物P)反射的回波光束，并转换为电信号；
并且，所述光发射模块11A和所述光接收模块11B的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块11A在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块11B的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
所述光收发模组111的具体实现可以采用前述本实用新型实施例中的光收发模组，以保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性，光收发模组的具体示例可以参见前述光收发模组的各具体实施例，此处不再展开描述。
在具体实施中，所述处理模块112可以通过单片机、中央处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)等其中任意一种器件单独实现，也可以通过其中多种器件组合实现。
虽然本实用新型实施例披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (19)
1.一种光收发模组，包括：光发射模块和光接收模块，其中：
所述光发射模块，适于发出探测光束；
所述光接收模块，适于接收所述探测光束被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
其特征在于，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
2.根据权利要求1所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块包括：多个发光单元，每个发光单元包括多个发光点，多个所述发光单元的各个阴极或者阳极共用，且每个发光单元分别具有连接点，所述连接点分别电连接至相对应的每个发光单元未共用的阳极或者阴极；
所述光接收模块包括：多个探测单元，每个探测单元包括探测区块和连接点，且至少一个探测单元与一个发光单元构成一个探测通道。
3.根据权利要求2所述的光收发模组，其特征在于，所述发光单元包括两个发光区块，每个发光区块包括至少一个所述发光点，所述两个发光区块的阴极共用，每个发光区块分别具有一个连接点。
4.根据权利要求2或3所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块中多个发光单元沿竖直方向呈多列分布，且多列发光单元相互交错，使得每个发光单元发出的探测光束在垂直方向上相互错开；
所述光接收模块中多个探测单元沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，每个探测单元均与相对应的发光单元的视场交叠分布。
5.根据权利要求4所述的光收发模组，其特征在于，所述发光单元为独立封装的激光器，每个发光区块具备单独的衬底。
6.根据权利要求4所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块中的多个发光单元中至少其中一部分发光单元集成封装为一个光发射器件；
所述光发射模块还包括：驱动器件，且所述驱动器件包括多个驱动单元，每个驱动单元适于驱动所述光发射器件中相应的发光单元发出探测光束。
7.根据权利要求6所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射器件中各发光单元的连接点与发光区块分别按列排布。
8.根据权利要求7所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射器件包括：
多列交错排布的发光区块；
以及单列排布的各发光区块对应的连接点，且所述单列排布的连接点设置于所述光发射器件的侧部区域；
所述驱动器件，设置于靠近所述光发射器件中发光单元的连接点的一侧，其中各驱动单元的连接点分别与相应发光单元的连接点电连接。
9.根据权利要求8所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块包括多个光发射器件以及多个所述驱动器件，其中：
多个所述光发射器件沿竖直方向呈多列分布，且所述多列光发射器件相互交错；
多个所述驱动器件，分别设置于对应的光发射器件的靠近发光单元的连接点的一侧。
10.根据权利要求9所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块包括两列光发射器件，且所述两列光发射器件呈中心对称分布，且其中各光发射器件中发光单元的连接点均位于所述两列光发射器件中发光单元的发光区块形成的发光区域的外侧区域。
11.根据权利要求6所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射器件包括两列沿竖直方向排列的发光单元，两列发光单元呈交错分布，且两列发光单元的发光区块形成的发光区域位于所述光发射器件的中间区域，连接点分别设置于所述光发射器件的侧部区域。
12.根据权利要求11所述的光收发模组，其特征在于，每个光发射器件对应两个驱动器件，分别设置于对应的光发射器件靠近对应列发光单元的连接点的一侧。
13.根据权利要求12所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射模块包括多个所述光发射器件和多个所述驱动器件，其中：
多个所述光发射器件，沿竖直方向呈多列分布，且多列光发射器件相互交错；
多个所述驱动器件，分别设置于相应光发射器件中相应列发光单元的连接点的一侧。
14.根据权利要求6所述的光收发模组，其特征在于，所述光接收模块中多个探测单元中至少部分探测单元集成封装为一个光探测器件。
15.根据权利要求14所述的光收发模组，其特征在于，所述光探测器件中多个探测单元沿竖直方向呈多列分布，且多列探测单元相互交错，使得每个探测单元的视场主轴相互错开。
16.根据权利要求15所述的光收发模组，其特征在于，所述光探测器件包括两列探测单元，其中，每个探测单元包括一个探测区块和与探测区块对应的两个连接点，且所述光探测器件中各探测区块共两列交错分布于所述光探测器件的中间区域，各探测区块对应的连接点均设置于所述光探测器件的侧部区域。
17.根据权利要求16所述的光收发模组，其特征在于，所述光接收模块包括多列光探测器件，多列探测器件交错分布并与相应的光发射器件位置对应。
18.根据权利要求14所述的光收发模组，其特征在于，所述光发射器件包括垂直腔面发射激光器，所述光探测器件包括硅光电倍增管。
19.一种激光雷达，其特征在于，包括：
光收发模组，适于发出探测光束及接收被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
处理模块，适于控制所述光收发模组发出探测光束，并基于所述探测光束和所述回波光束对应的电信号，得到目标物测量信息；
所述光收发模组包括：光发射模块和光接收模块，其中：
所述光发射模块，适于发出探测光束；
所述光接收模块，适于接收所述探测光束被目标物反射的回波光束，并转换为电信号；
并且，所述光发射模块和所述光接收模块的视场相对垂直交叠，其中，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光接收模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2023123984A1 (zh) * | 2021-12-30 | 2023-07-06 | 上海禾赛科技有限公司 | 光收发模组及激光雷达 |
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