CN219915924U - 一种基于vcsel阵列芯片的激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，涉及激光雷达技术领域，一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统。包括光源、投射光学单元、光束偏转单元和探测单元；所述光源、投射光学单元和探测单元依次设置，所述光束偏转单元设于光源上，投射光学单元上，或投射光学单元的出射光路上；所述光源为具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片，所述光束偏转单元至少具有两个运动维度。针对现有激光雷达系统体积大的技术问题，利用集成化的VCSEL芯片阵列，在维持现有激光雷达技术指标的前提下降低系统结构复杂度，提高机械系统的使用寿命，降低系统的体积。

Description

一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统。

背景技术

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直腔面发射激光器)是一种垂直发射的半导体激光器，广泛应用于数据传输、3D感测、无人驾驶、智能视觉等应用领域。其在集成方面的优势使其在大功率激光雷达小型化发展方面具备较高的潜力。现有激光雷达系统需借助机械结构来偏移激光束来达到扩大激光雷达视场角的目的，同时为了满足视场范围内点云数据的密度及刷新率要求，对机械结构的持续高速运动能力有较高需求，如专利文献US2018329035A1记载。常用方案为旋转棱镜、MEMS，如专利文献CN201811366243.1、CN202110185025.3记载。而无机械结构的纯固态激光雷达受电子运算单元速率的影响，在满足点云密度的需求下视场角较小。

MEMS式激光雷达由于长期的高速运作，使得MEMS结构的实际寿命较短，随时间推移由于机械结构的老化雷达系统将失效。旋转式激光雷达由于旋转镜的运动特点，水平视场角受限的同时存在激光回射和杂散光的问题，而且旋转运动系统体积往往较大。多线激光雷达需要拼接芯片，由于单一芯片不可避免的边缘宽度，相邻两芯片间出射光束间距总大于芯片内出射光束间距，系统体积大。

实用新型内容

针对现有激光雷达系统体积大的技术问题，本实用新型提供了一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，利用集成化的VCSEL芯片阵列，在维持现有激光雷达技术指标的前提下降低系统结构复杂度，提高机械系统的使用寿命，降低系统的体积。

为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，包括光源、投射光学单元、光束偏转单元和探测单元；光源用于发射激光光束，光源发射的激光光束经投射光学单元被投射出去；所述光束偏转单元用于偏转激光光束，所述光束偏转单元设于光源上，投射光学单元上，或投射光学单元的出射光路上；所述探测单元，用于接收激光光束；所述光源为具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片，所述光束偏转单元至少具有两个运动维度。

投射光学单元、光束偏转单元和探测单元用于将光源出光投射至探测单元的探测面上，光束偏转系统至少需两个运动维度，能够将出射视场角内的光束沿两个方向偏转投射，使激光雷达能够拥有更大的视场角；利用集成化的VCSEL芯片阵列，在维持现有激光雷达技术指标的前提下降低系统结构复杂度，提高机械系统的使用寿命，降低系统的体积。由于采用VCSEL芯片阵列作为光源，所述激光雷达系统的机械运动结构无需传统激光雷达上千个的位置控制点，只需几十个位置控制点即可实现相同的点云密度，有效降低了机械运动结构的工作频率及行程，提高机械系统的使用寿命。

可选的，所述探测单元具有和光源一致的阵列布局及尺寸，探测单元至少同具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片具备一致的布局及尺寸，即相同的拓扑结构，用以降低探测端成像系统的结构复杂度。

可选的，所述光束偏转单元的运动控制元件采用压电陶瓷驱动器或旋转电机，压电陶瓷具有结构小巧、控制简单的特点，减小系统体积。

可选的，投射光学单元的通光孔径与光源的发散角匹配。

可选的，所述投射光学单元为多透镜组成的成像系统。

可选的，光源经投射光学单元后的发散角α是由投射光学单元等效焦距f和光源的VCSEL阵列式芯片发射光区外接圆直径d的关系决定的，α＝arctan(0.5d/f)*2。

可选的，所述光束偏转单元设置于投射光学单元之后时，光束偏转单元的通光孔径完整包含探测单元的视场范围。

可选的，所述光束偏转单元包括一偏转镜，所述偏转镜至少具有两个运动维度。

可选的，光束偏转单元还包括偏转镜、固定结构和滑轨，所述偏转镜通过固定结构设于滑轨上，所述压电陶瓷驱动器驱动偏转镜在滑轨运动。

可选的，所述光源的出射光区间排布为矩阵式拼接。

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

投射光学单元、光束偏转单元和探测单元用于将光源出光投射至探测单元的探测面上，光束偏转系统至少需两个运动维度，能够将出射视场角内的光束沿两个方向偏转投射，使激光雷达能够拥有更大的视场角；利用集成化的VCSEL芯片阵列，在维持现有激光雷达技术指标的前提下降低系统结构复杂度，提高机械系统的使用寿命，降低系统的体积。由于采用VCSEL芯片阵列作为光源，所述激光雷达系统的机械运动结构无需传统激光雷达上千个的位置控制点，只需几十个位置控制点即可实现相同的点云密度，有效降低了机械运动结构的工作频率及行程，提高机械系统的使用寿命。

所述光束偏转单元可以置于投射光学单元之后，对整形后的出射光束实现整体偏转。此外，所述光束偏转单元也可以置于投射光学系统之上，通过控制投射光学单元相对光源的位置来实现对出射光束的偏转作用。同样的，所述光束偏转单元也可以置于光源上，通过控制光源相对投射光学单元的相对位置来实现对出射光束的偏转作用。探测单元至少同具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片具备一致的布局及尺寸，即相同的拓扑结构，用以降低探测端成像系统的结构复杂度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光源及探测单元阵列示意图。

图2为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光源及探测单元阵列在激光雷达系统中的一种光路侧视示意图。

图3为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光源及探测单元阵列与目标面之间的光路示意图。

图4为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光束偏转单元置于投射光学单元之后的一种光路侧视示意图。

图5为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光束偏转单元置于投射光学单元之后的另一种光路侧视示意图。

图6为本实用新型实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统的光束偏转单元置于光源之上的一种光路侧视示意图。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图及实施例对本实用新型作详细描述。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。同一实施例中的多个技术方案，以及不同实施例的多个技术方案之间，可进行排列组合形成新的不存在矛盾或冲突的技术方案，均在本实用新型要求保护的范围内。

实施例1

结合图1-6，本实施例提出了一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，包括光源11、投射光学单元、光束偏转单元和探测单元；光源11用于发射激光光束，光源11发射的激光光束经投射光学单元被投射出去；所述光束偏转单元用于偏转激光光束，所述光束偏转单元设于光源上，投射光学单元上，或投射光学单元的出射光路上；所述探测单元，用于接收激光光束，即经由目标面3反射后的回射光束122，如图4-6中所示；所述光源11为具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片，所述光束偏转单元至少具有两个运动维度。

投射光学单元、光束偏转单元和探测单元用于将光源11出光投射至探测单元的探测面上，光束偏转系统至少需两个运动维度，能够将出射视场角内的光束沿两个方向偏转投射，使激光雷达能够拥有更大的视场角；利用集成化的VCSEL芯片阵列，在维持现有激光雷达技术指标的前提下降低系统结构复杂度，提高机械系统的使用寿命，降低系统的体积。由于采用VCSEL芯片阵列作为光源，所述激光雷达系统的机械运动结构无需传统激光雷达上千个的位置控制点，只需几十个位置控制点即可实现相同的点云密度，有效降低了机械运动结构的工作频率及行程，提高机械系统的使用寿命。

投射光学单元一般为成像系统，以将所述光源出光面在无穷远处成像为原则进行设计；投射光学系统可以为单一非球面透镜、也可以为柯克三片式物镜等传统多透镜组构成的成像系统。光源经投射光学系统后的发散角α由投射光学系统等效焦距f和芯片发射光区外接圆直径d决定，一般的，α＝arctan(0.5d/f)*2；

所述光束偏转单元可以置于投射光学单元之后，对整形后的出射光束实现整体偏转。此外，所述光束偏转单元也可以置于投射光学单元的光学系统之上，通过控制投射光学单元相对光源11的位置来实现对出射光束的偏转作用。同样的，所述光束偏转单元也可以置于光源上，通过控制光源相对投射光学单元的相对位置来实现对出射光束的偏转作用。

探测单元具有和光源11一致的阵列布局及尺寸，探测单元至少同具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片具备一致的布局及尺寸，即相同的拓扑结构，用以降低探测端成像系统的结构复杂度。光源11的出射光区间排布为矩阵式拼接，探测单元也为矩阵式拼接。

光束偏转单元的运动控制元件采用压电陶瓷驱动器或旋转电机，压电陶瓷具有结构小巧、控制简单的特点，减小系统体积。

投射光学单元的通光孔径与光源11的发散角匹配，一般需允许至少86％的能量通过，特殊的不宜低于60％。

投射光学单元为多透镜组成的成像系统，投射光学单元可以为单一非球面透镜、也可以为柯克三片式物镜等传统多透镜组构成的成像系统。光源11经投射光学单元后的发散角α是由投射光学单元等效焦距f和光源11的VCSEL阵列式芯片发射光区外接圆直径d的关系决定的，α＝arctan(0.5d/f)*2。

光束偏转单元设置于投射光学单元之后时，光束偏转单元的通光孔径完整包含探测单元的视场范围。光束偏转单元包括一偏转镜，所述偏转镜至少具有两个运动维度。

所述光束偏转单元在置于投射光学单元之后时，其通光孔径需完整包含探测单元视场范围。所述光束偏转系统置于投射光学系统或光源上时，需同步控制探测端单元，确保投射光学单元或光源移动到新的位置后，探测端单元能够将目标面上的照射光斑同样成像至相同的探测器阵列上。

如图4所示，作为另一实施方式，光束偏转单元包括第一偏转镜401和第二偏转镜402，所述第一偏转镜401和第二偏转镜402均具有一个旋转调节方向，所述第一偏转镜401的旋转调节方向和第二偏转镜402的旋转调节方向相互正交。

光束偏转单元还包括偏转镜、固定结构和滑轨，所述偏转镜通过固定结构设于滑轨上，所述压电陶瓷驱动器驱动偏转镜在滑轨运动。

实施例2

本实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其中光源采用VCSEL芯片，VCSEL芯片为具有多发射孔的阵列式芯片，该芯片具有如下特征：

一、阵列单元为出射光区，出射光区包络边界为矩形。

二、一个出射光区内包含数个发射孔；

三、一个出射光区内所有发射孔间电连接为相互并联关系；

四、出射光区间电连接为相互独立关系，一般的，出射光区共阴极连接；

五、出射光区间排布为矩阵式拼接；

六、可选择对二维阵列中任一出射光区进行点亮，芯片具有二维可寻址能力。

本实施例所述激光雷达系统包含作为光源的VCSEL芯片、将光源出光投射至探测面上的投射光学系统(对应为实施例1中的投射光学单元)、光束偏转系统(对应为实施例1中的光束偏转单元)、探测端成像系统及探测器(对应为实施例1中的探测单元)，该激光雷达系统具有如下特征：

一、投射光学单元的通光孔径需与整个光源11的发散角匹配，一般需允许至少86％的能量通过，特殊的不宜低于60％；

图2为光源及探测器阵列在激光雷达系统中的一种光路侧视示意图，其中114为雷达系统出射光束，113为光源出射光束，122为目标面回射光束，123为探测器接受光束，21为投射光学单元的光学系统，22为探测单元的光学系统。光源11上的VCSEL发射孔112发射出光线，即为光源出射光束113，经投射光学单元21的光学系统，射出雷达系统出射光束114，目标面3的回射光束122，经探测单元的光学系统22，形成探测器接受光束，到达探测单元12的感应芯片121。

二、投射光学单元一般为成像系统，以将所述光源出光面在无穷远处成像为原则进行设计。

三、投射光学单元可以为单一非球面透镜、也可以为柯克三片式物镜等传统多透镜组构成的成像系统。光源11经投射光学单元后的发散角α由投射光学单元等效焦距f和芯片发射光区外接圆直径d决定，一般的，α＝arctan(0.5d/f)*2。

图3为光源及探测单元与目标面之间的光路示意图，图中省略光学组件；其中3为激光雷达的目标面，31为光源发射光区在目标面上的投射光斑，32为经光束偏转单元4偏转后光束在目标面的照射区域。

图4为光束偏转单元置于投射光学单元之后的一种光路侧视示意图，图中省略机械组件；探测单元和光源安装在一起，其中2为激光雷达光学系统，4为光束偏转单元。此处光束偏转单元4具有一面偏转镜，该偏转镜具有相互正交的两个方向的旋转调节能力。

图5为光束偏转单元置于投射光学单元之后的另一种光路侧视示意图，图中省略机械组件；探测单元和光源11安装在一起，其中401为第一偏转镜系统，402为第二偏转镜系统。两个偏转镜系统各自拥有一个方向的旋转调节能力，且两个方向相互正交。

图6为光束偏转系统置于光源之上的一种光路侧视示意图，光源11和探测单元12的感应芯片121均置于光束偏转单元4之上，此时光束偏转单元4具有相互正交的两个方向的平移调节能力。

四、探测单元12可以与投射光学单元完全一致，探测单元12由若干感应芯片121组成，感应芯片121可以选择SPAD，APD等，也可以采用CCD和CMOS，但成本较高。光源11由VCSEL芯片组成，即VCSEL发射孔112形成光源发射光区111。感应芯片121至少需要同VCSEL芯片具备一致的拓扑结构，用以降低探测单元12的成像系统的结构复杂度。最低的，探测器单元12需与VCSEL芯片具有完全一致的阵列维度，如图1所示。

五、所述光束偏转单元至少需两个运动维度，能够将出射视场角内的光束沿两个方向偏转投射，使激光雷达能够拥有更大的视场角。

六、所述光束偏转单元可以置于投射光学单元之后，对整形后的出射光束实现整体偏转。此外，所述光束偏转单元也可以置于投射光学单元之上，通过控制投射光学单元相对光源11的位置来实现对出射光束的偏转作用。同样的，所述光束偏转单元也可以置于光源11上，通过控制光源11相对投射光学单元的相对位置来实现对出射光束的偏转作用。

七、所述光束偏转单元在置于投射光学单元之后时，其通光孔径需完整包含探测单元的成像系统视场范围。所述光束偏转单元置于投射光学单元或光源11上时，需同步控制探测单元的成像系统，即探测器芯片，确保投射光学单元或光源11移动到新的位置后，探测单元能够将目标面上的照射光斑同样成像至相同的探测器芯片阵列上。

八、所述光束偏转单元统的运动控制元件可以采用结构小巧、控制简单的压电陶瓷驱动器。传统旋转电机同样可以作为运动控制元件。

九、所述光束偏转单元作用于芯片投射区域内每个点距离信息获取之后。在完成当前投射区域点云数据获取之后光束偏转单元将光束偏转至下一投射区域。直到光束偏转单元扫描完所有预设投射区域。

实施例3

本实施例提出的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，具有借助平面镜的光束偏转系统。对于一个激光雷达系统，其光源芯片具有16*12阵列的发射光区，每个发射光区具有10*6个发射孔。投射光学系统等效焦距35mm，探测端成像系统与投射光学系统完全一致，探测器为16*12阵列SPAD，且单一阵列长宽与光源芯片发射光区长宽完全一致。光束偏转系统由一个平面镜、至少两个压电陶瓷作为位移控制器、固定结构及滑轨弹簧等构成。光束偏转系统水平偏转范围±30°，垂直偏转范围±7°。光束偏转系统可驱动光源及探测器位移，本实施例的技术方案的有益效果为：

1、提高激光雷达系统机械结构使用寿命、减小机械结构尺寸。

2、光源11的VCSEL阵列分布均匀，无空隙，光源11的角分辨率均匀，通过光束偏转单元4，无空隙，到达激光雷达的目标面3进行阵列投影，探测单元具有和光源11一致的阵列布局及尺寸，接受到的光线，角分辨率均匀无空隙。

3、减小VCSEL芯片阵列尺寸，降低激光雷达系统光源成本。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，包括光源、投射光学单元、光束偏转单元和探测单元；光源用于发射激光光束，光源发射的激光光束经投射光学单元被投射出去；所述光束偏转单元用于偏转激光光束，所述光束偏转单元设于光源上，投射光学单元上，或投射光学单元的出射光路上；所述探测单元，用于接收激光光束；所述光源为具有多发射孔的VCSEL阵列式芯片，所述光束偏转单元至少具有两个运动维度。

2.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述探测单元具有和光源一致的阵列布局及尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏转单元的运动控制元件采用压电陶瓷驱动器或旋转电机。

4.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，投射光学单元的通光孔径与光源的发散角匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述投射光学单元为多透镜组成的成像系统。

6.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，光源经投射光学单元后的发散角α是由投射光学单元等效焦距f和光源的VCSEL阵列式芯片发射光区外接圆直径d的关系决定的，α＝arctan(0.5d/f)*2。

7.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏转单元设置于投射光学单元之后时，光束偏转单元的通光孔径完整包含探测单元的视场范围。

8.根据权利要求3所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏转单元还包括偏转镜、固定结构和滑轨，所述偏转镜通过固定结构设于滑轨上，所述压电陶瓷驱动器驱动偏转镜在滑轨运动。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述光束偏转单元包括一偏转镜，所述偏转镜至少具有两个运动维度。

10.根据权利要求9所述的一种基于VCSEL阵列芯片的激光雷达系统，其特征在于，所述光源的出射光区间排布为矩阵式拼接。