CN217279010U - 一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计的激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，该光波导结构具体为一长条形波导，该长条形波导从左至右分为N个波导段，N≥2，波导段的上表面处于同一水平面，光波导结构最左侧的波导段左端、光波导结构的两个波导段连接处均设有一从左上至右下的斜面，该斜面与水平面之间的夹角为30°‑60°，通过利用微光学光波导异型结构，将多个独立的激光雷达光源预先经过微透镜聚焦到微光学光波导内部的反射面上变为可以在波导内部全反射的波导模式，最后在波导出射端口利用一个合适焦距的小尺寸透镜组进行准直，最终输出一个满足发射光束要求的小尺寸准直光斑，可以使准直系统在纵向上减少尺寸，这样可以解决激光雷达的高度限制瓶颈。

Description

一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构

技术领域

本实用新型涉及车载激光雷达领域，具体而言涉及一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构。

背景技术

激光雷达最初采用的是机械旋转式结构，即通过旋转激光束来进行水平360度的扫描，而作为汽车部件，低成本、小体积且能嵌入车身，半固态激光雷达是解决高昂成本和小体积的方案，目前转镜式半固态激光雷达多采用将阵列发射光源结合整形透镜组将发射光源变换为线光斑，线光斑实现纵向视场的扫描，再结合转镜实现横向视场的扫描，线光斑覆盖的纵向视场一般为20-30度，这样就需要将多个竖直方向依次排列的单元发射光源激光器分别独立进行准直整形，每个单元都需要占据一定的高度，从而导致激光雷达的竖直方向高度较大，超过主机厂规定标准。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构。本实用新型具体采用如下技术方案。

为实现上述目的，提出一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，该光波导结构具体为一长条形波导，该长条形波导从左至右分为N个波导段，N≥2，波导段的上表面处于同一水平面，相邻的两个波导段中靠右侧的波导段高度大于靠左侧的波导段高度，波导段的高度指的是波导段上表面至波导段下表面的距离，光波导结构最左侧的波导段高度为H，则靠右侧的波导段高度与靠左侧的波导段高度之间的差值≥H，光波导结构最左侧的波导段左端、光波导结构的两个波导段连接处均设有一从左上至右下的斜面，该斜面与水平面之间的夹角为30°-60°，光波导结构与光学系统的透镜相配合，透镜安装在光波导结构的上表面，透镜的中心线与波导段斜面的中心线处于同一垂直面。

作为优选，光学光波导机构选用光学玻璃制作。

作为优选，光学玻璃的折射率≥2。

作为优选，所述斜面与水平面之间的夹角为45°。

作为优选，光学系统的透镜选用切边平凸球面微透镜。

本实用新型设计的激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，提供一种激光雷达发射光学系统集成化方案，通过利用微光学光波导异型结构，将多个独立的激光雷达光源预先经过微透镜聚焦到微光学光波导内部的反射面上变为可以在波导内部全反射的波导模式，最后在波导出射端口利用一个合适焦距的小尺寸透镜组进行准直，最终输出一个满足发射光束要求的小尺寸准直光斑。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型激光雷达发射光学系统微光学光波导结构的示意图；

图2为本实用新型激光雷达发射光学系统微光学光波导结构的侧视图；

图3为本实用新型实施例的光路示意图。

图中：1、波导段；2、斜面；3、透镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实用新型中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本实用新型中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

下面参照图1和图2描述根据本实用新型实施例的一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，该光波导结构具体为一长条形波导，该长条形波导从左至右分为N个波导段1，N≥2，波导段1的上表面处于同一水平面，相邻的两个波导段1中靠右侧的波导段1高度大于靠左侧的波导段1高度，波导段1的高度指的是波导段1上表面至波导段1下表面的距离，光波导结构最左侧的波导段1高度为H，则靠右侧的波导段1高度与靠左侧的波导段1高度之间的差值≥H，光波导结构最左侧的波导段1左端、光波导结构的两个波导段1连接处均设有一从左上至右下的斜面2，该斜面2与水平面之间的夹角为30°-60°，光波导结构与光学系统的透镜3相配合，透镜3安装在光波导结构的上表面，透镜3的中心线与波导段斜面2的中心线处于同一垂直面。

作为优选，光学光波导机构选用光学玻璃制作。

作为优选，光学玻璃的折射率≥2。

作为优选，所述斜面2与水平面之间的夹角为45°。

作为优选，光学系统的透镜3选用切边平凸球面微透镜。

本实用新型选用实施例如下：微光学光波导结构沿波导纵向，即光线传播方向，每隔一段距离有一个45度斜面，该斜面的作用是将激光光源经微透镜聚焦后的光束进行偏转反射，使反射后的光束沿着水平方向沿着光波导传播，最后从波导结构的出光口导出，该斜面相对于上一级斜面有一个波导横向截面的平移，作用是防止该斜面阻挡左侧传播过来的光线，在斜面的正上方，激光器的下方有一个微透镜，用于对激光器的光束进行会聚，会聚的光束入射到45度斜面上，且会聚后光斑的数值孔径和会聚前数值孔径保持不变，该波导的材料一般选择为高折射率光学玻璃，比如折射率为2，以提高全反射最大临界角；

该波导总长3.18mm，宽度200um，高度0.18mm，波导内总共有5个斜面，每个斜面的长度为40um两个斜面间隔为0.5mm。波导出光口为220umX140um经过对该光学器件光线追迹进行检测，参照图3，该示例仿真结果可以得到光能传输效率为95%。

在线扫方案中，有一种方案是将每一个激光器分别单独准直到某一发散角，比如1.6度，利用多个激光器的能量共同覆盖1.6度的视场，这样就可以满足单位立体角度内的光功率要求，常规满足激光雷达的激光器参数一般为：快轴发光面10um，半高全宽发散角40度，慢轴发光面220um，半高全宽20度，根据几何光学的光束扩展定理，将慢轴准直到发散角为1.6度，需要透镜焦距为7.85mm，口径需要2.9mm左右，将快轴准直到0.3度，需要焦距为1.39mm的柱面镜，口径为1.4mm左右，这样本实例中采用5个激光器，宽度上需要1.4mm，高度上需要14.5mm。

本实用新型实施例中微透镜焦距为0.3mm，对激光器进行会聚后，快慢轴数值孔径保持不变，波导采用折射率为2的玻璃制作光波导，临界角为30度，满足快慢轴的全反射条件，通过采用光波导，利用相互正交的柱面镜分别对波导出光口两个方向进行准直，横向采用焦距为7.85mm的柱面镜，口径为2.9mm。纵向采用焦距为27mm的柱面镜，口径为4.8mm；由此可见，采用本实用新型的方案，发射端准直透镜横向上会多占用一些体积，在合适的光学布局情况下是可以接受的，重要的是本实用新型可以使准直系统在纵向上减少尺寸14.5-2.9=11.6mm。这样可以解决激光雷达的高度限制瓶颈。

本实用新型设计的激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，提供一种激光雷达发射光学系统集成化方案，通过利用微光学光波导异型结构，将多个独立的激光雷达光源预先经过微透镜聚焦到微光学光波导内部的反射面上变为可以在波导内部全反射的波导模式，最后在波导出射端口利用一个合适焦距的小尺寸透镜组进行准直，最终输出一个满足发射光束要求的小尺寸准直光斑，可以使准直系统在纵向上减少尺寸，这样可以解决激光雷达的高度限制瓶颈。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，其特征在于，该光波导结构具体为一长条形波导，该长条形波导从左至右分为N个波导段，N≥2，波导段的上表面处于同一水平面，相邻的两个波导段中靠右侧的波导段高度大于靠左侧的波导段高度，波导段的高度指的是波导段上表面至波导段下表面的距离，光波导结构最左侧的波导段高度为H，则靠右侧的波导段高度与靠左侧的波导段高度之间的差值≥H，光波导结构最左侧的波导段左端、光波导结构的两个波导段连接处均设有一从左上至右下的斜面，该斜面与水平面之间的夹角为30°-60°，光波导结构与光学系统的透镜相配合，透镜安装在光波导结构的上表面，透镜的中心线与波导段斜面的中心线处于同一垂直面。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，其特征在于，光学光波导机构选用光学玻璃制作。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，其特征在于，光学玻璃的折射率≥2。

4.根据权利要求1所述的一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，其特征在于，所述斜面与水平面之间的夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种激光雷达发射光学系统微光学光波导结构，其特征在于，光学系统的透镜选用切边平凸球面微透镜。

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