CN217467162U - 一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达 - Google Patents
一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达，其中，基于超透镜的激光雷达发射系统，包括：激光雷达发射阵列；所述激光雷达发射阵列，包括：至少两个激光发射单元；所述至少两个激光发射单元中的各所述激光发射单元，包括：VCSEL单元和超透镜；所述超透镜设置在所述VCSEL单元上，所述超透镜对所述VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上。通过本实用新型实施例提供的基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达，由于超透镜可以对VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上，避免了相邻激光发射单元所发出光线之间会产生串扰的缺陷。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达。
背景技术
目前，在激光雷达的设计中，光源选用垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)及其阵列有利于减小器件体积和重量，降低成本。为了对VCSEL发出的激光准直和聚焦，可以在VCSEL上设置凸透镜。这就要求凸透镜要尽可能贴合激光阵列，否则相邻发射光之间会互相交汇，形成串扰，还会导致激光雷达的加工精度高且难度大。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于超透镜的激光雷达发射系统，包括：激光雷达发射阵列；
所述激光雷达发射阵列，包括：至少两个激光发射单元；
所述至少两个激光发射单元中的各所述激光发射单元，包括：VCSEL单元和超透镜；
所述超透镜设置在所述VCSEL单元上，所述超透镜对所述VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达，包括上述第一方面所述的基于超透镜的激光雷达发射系统。
本实用新型实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，在基于超透镜的激光雷达发射系统的激光雷达发射阵列中，可以将超透镜直接加工在VCSEL上方形成激光发射单元，与相关技术中在VCSEL上设置凸透镜这样加工精度高且难度大的方式相比，将超透镜直接加工在VCSEL上方形成激光发射单元，加工方式简单，大大降低了加工难度；而且，由于超透镜可以对VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上，避免了相邻激光发射单元所发出光线之间会产生串扰的缺陷；再者，基于超透镜结构简单、重量较轻、价格便宜的优势，可以助力激光雷达往微型化轻量化的方向发展。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的激光雷达发射系统中激光雷达发射阵列的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的一种基于超透镜的激光雷达发射系统中的激光发射单元的截面示意图；
图3A示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统按照预设角度进行目标扫描的示意图；
图3B示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统按照除预设角度外的其他角度进行目标扫描的示意图一；
图3C示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统按照除预设角度外的其他角度进行目标扫描的示意图二；
图4示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统中正六边形、正方形和扇形的超透镜的排布示意图；
图5示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统中超透镜的纳米结构示意图；
图6A示出了本实用新型实施例所提供的基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用线性排布的方式的示意图；
图6B示出了基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用交替排布的方式的示意图；
图6C示出了基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用随机排布的方式的示意图。
图标：10、激光雷达发射阵列；100、激光发射单元；102、超透镜；104、VCSEL单元；106、隔离层。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，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，或一体地连接；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。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。
目前，在激光雷达的设计中VCSEL及其阵列有利于减小器件体积和重量，降低成本。为了对VCSEL发出的激光准直和聚焦，可以在VCSEL上设置凸透镜。这导致激光雷达的加工精度高且难度大。
基于此，本申请以下实施例提出一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达，在基于超透镜的激光雷达发射系统的激光雷达发射阵列中，可以将超透镜直接加工在VCSEL上方形成激光发射单元，加工方式简单，大大降低了加工难度；而且，由于超透镜可以对VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到位于远场的目标上，避免了相邻激光发射单元所发出光线之间会产生串扰的缺陷。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的一种基于超透镜的激光雷达发射系统中激光雷达发射阵列的结构示意图，本实施例提出一种基于超透镜的激光雷达发射系统，包括：激光雷达发射阵列10。
所述激光雷达发射阵列，包括：至少两个激光发射单元100。
其中，所述激光雷达发射阵列包含n×m个激光发射单元，n表示激光雷达发射阵列的行数，m表示激光雷达发射阵列的列数，n≥1，m≥1，所述激光雷达发射阵列中每个激光发射单元中的超透镜可以对光束具有相同或者不同的调制作用。
参见图2所示的一种基于超透镜的激光雷达发射系统中的激光发射单元100的截面示意图，所述至少两个激光发射单元中的各所述激光发射单元，包括：VCSEL单元104和超透镜102。
所述超透镜设置在所述VCSEL单元上，所述超透镜对所述VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上。就是说，超透镜可以对VCSEL单元发出的光线进行准直，并偏折一定角度。
所述激光发射单元，还包括：隔离层106。
所述隔离层设置在所述VCSEL单元上；所述超透镜设置在所述隔离层上。
所述隔离层，包括但不限于：非晶硅层和晶体硅层。
所述超透镜，包括：衬底和纳米结构；所述纳米结构设置在所述衬底上。
所述超透镜可以通过半导体工艺直接加工在隔离层上。
在一个实施方式中，VCSEL单元包括：自上到下依次设置的布拉格反射层、有源区、n电极、p电极和基板。其中，p电极和n电极位于芯片同一侧，直接贴在设计好正负极的基板上。
所述VCSEL单元的具体结构还可以使用现有的任何能够实现VCSEL的半导体结构，这里不再赘述。
所述VCSEL单元的工作原理：有源区与布拉格反射层构成短腔激光器，一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源区将发出多束空间相位不匹配的非相干光，当注入电流逐渐接近并达到阈值电流时，相干性极高的光束在布拉格反射层进行多次反射后射出，射出的光经过超透镜后可以按特定方向照出。
激光雷达发射阵列中每个激光发射单元都具有开关，那么，每个激光发射单元是可以单独进行打开和关闭的。即：各所述激光发射单元分别具有单独的开关，使得各所述激光发射单元能够分别在各自开关的控制下单独打开或者关闭。
在所述激光雷达发射阵列中，各所述激光发射单元发出的光线分别按照各所述激光发射单元中超透镜相位调制后的发射角度照射到所述目标上，形成所述目标的扫描点云。
当需要以预定角度对所述目标进行扫描时，打开所述激光雷达发射阵列中能够向所述目标发射出具有所述预定角度的光线的激光发射单元，通过打开的激光发射单元向所述目标发射点云形成的线结构光，对目标进行扫描。
在一个实施方式中，所述预设角度可以设置为是0度到180度之间的任意角度，这里不再一一赘述。
参见图3A所示的一种基于超透镜的激光雷达发射系统按照预设角度进行目标扫描的示意图，当需要扫描预设角度时，点亮激光雷达发射阵列中远场光点对应于预设角度的所有的激光发射单元，此时在远场可以形成一组线状的点云组成的线结构光，从而反馈目标中被扫描区域所有的信息；同理，在扫描其他角度的时候，只需点亮能够发出相应发射角度光线的激光发射单元，参见3B和3C所示的基于超透镜的激光雷达发射系统按照除预设角度外的其他角度进行目标扫描的示意图，实现了激光雷达发射系统对远场目标的扫描功能。
这里，超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的纳米结构单元来调制入射光。其中，纳米结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。在本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。所述纳米结构在所述衬底上呈阵列排布，所述超表面的结构可以呈现正六边形和/或正方形和/或扇形，每个超透镜的中心位置，或者每个超透镜的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。参见图4给出的一种基于超透镜的激光雷达发射系统中正六边形、正方形和扇形的超透镜的排布示意图。
在一个实施方式中，超透镜的工作波段为近红外波段(905(纳米)nm±20nm、1550nm±20nm)，或者其中至少一个波段(波段中心波长为λc,带宽为Δλ)。纳米结构之间可是空气填充或者其他对应光波段波段透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
参见图5所示的基于超透镜的激光雷达发射系统中超透镜的纳米结构示意图，纳米结构可为偏振相关的结构，如：纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光进行相位调制，从而对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
在本实施例提出的基于超透镜的激光雷达发射系统中，各所述激光发射单元，采用但不限于：线性排布的方式、交替排布和/或者随机排布的方式组成所述激光雷达发射阵列。
其中，参见图6A所示的基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用线性排布的方式的示意图，所述线性排布的方式，就是将各激光发射单元中，能够发出相同角度的光线的激光发射单元布置在所述激光雷达发射阵列中的同一行或者同一列中，这种排布方式优点在于布线更容易。
参见图6B所示的基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用交替排布的方式的示意图，所述交替排布的方式，就是将各激光发射单元中，能够发出不同发射角度的光线的激光发射单元按照设定方向(图6B的箭头方向)依次排列，从而组成所述激光雷达发射阵列，使得所述激光雷达发射阵列中依次排列后的各激光发射单元中的相邻的激光发射单元可以发出不同发射角度的光线；这样排布的优点在于每次点亮的光比较均匀。
参见图6C所示的基于超透镜的激光雷达发射系统中各激光发射单元采用随机排布的方式的示意图，所述随机排布的方式，就是将各激光发射单元中，能够发出不同发射角度的光线的激光发射单元随机的分布在所述激光雷达发射阵列中，这样排布的优点在于每次点亮的光比较均匀。其中，从图6C中虚线标出部分的侧视图中可以看出，所述激光雷达发射阵列中虚线标出部分的每个激光发射单元分别会朝不同的发射角度发出光线。
如果各激光发射单元是交替排布和/或者随机排布的方式的情况下，为了实现面状扫描，可以打开发射角度在预定角度范围内的激光发射单元，使得打开的激光发射单元发出的光线可以覆盖目标的一个扫描区域，从而对目标进行面状区域扫描。
本实施例提出的基于超透镜的激光雷达发射系统，将超透镜与VCSEL单元相结合，设计了一种宽角度、高精度的激光雷达发射系统，相比机械式激光雷达，具有成本低、寿命长、尺寸小等优势。
而且，借助成熟的CMOS加工工艺，将超透镜直接加工在VCSEL单元上方，从而加工激光雷达发射系统中的激光雷达发射阵列，避免了相邻发光单元发光的串扰，相比现有技术，具有加工难度低、成本低且单位面积结构密度高的优势。
本实施例还提出一种激光雷达，包括上述的基于超透镜的激光雷达发射系统。
综上所述，本实施例提出一种基于超透镜的激光雷达发射系统和激光雷达，在基于超透镜的激光雷达发射系统的激光雷达发射阵列中，可以将超透镜直接加工在VCSEL上方形成激光发射单元，与相关技术中在VCSEL上设置凸透镜这样加工精度高且难度大的方式相比，将超透镜直接加工在VCSEL上方形成激光发射单元，加工方式简单，大大降低了加工难度；而且，由于超透镜可以对VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上，避免了相邻激光发射单元所发出光线之间会产生串扰的缺陷；再者，基于超透镜结构简单、重量较轻、价格便宜的优势，可以助力激光雷达往微型化轻量化的方向发展。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，包括：激光雷达发射阵列；
所述激光雷达发射阵列，包括：至少两个激光发射单元；
所述至少两个激光发射单元中的各所述激光发射单元，包括：VCSEL单元和超透镜；
所述超透镜设置在所述VCSEL单元上，所述超透镜对所述VCSEL单元发出的光线进行相位调制，使得所述光线按照相位调制后的发射角度照射到目标上。
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光发射单元，还包括：隔离层；
所述隔离层设置在所述VCSEL单元上；所述超透镜设置在所述隔离层上。
3.根据权利要求2所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，所述隔离层，包括：非晶硅层和晶体硅层。
4.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，所述超透镜，包括：衬底和纳米结构；
所述纳米结构设置在所述衬底上。
5.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，各所述激光发射单元分别具有单独的开关。
6.根据权利要求5所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，在所述激光雷达发射阵列中，各所述激光发射单元发出的光线分别按照各所述激光发射单元中超透镜相位调制后的发射角度照射到所述目标上，形成所述目标的扫描点云。
7.根据权利要求6所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，当需要以预定角度对所述目标进行扫描时，打开所述激光雷达发射阵列中能够向所述目标发射出具有所述预定角度的光线的所述激光发射单元，通过打开的所述激光发射单元向所述目标发射点云形成的线结构光，对所述目标进行扫描。
8.根据权利要求1所述的基于超透镜的激光雷达发射系统，其特征在于，各所述激光发射单元，采用线性排布的方式、交替排布和/或者随机排布的方式组成所述激光雷达发射阵列。
9.一种激光雷达，包括权利要求1-8任一项所述的基于超透镜的激光雷达发射系统。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2022-05-27 CN CN202221299828.8U patent/CN217467162U/zh active Active
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