一种激光雷达的制作方法

本发明实施例涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术：

激光雷达是以发射激光束探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达的工作原理是：向目标物体发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标物体反射回来的信号(目标回波，或称回波信号)与发射信号进行比较，作适当处理即可获得目标物体的相关信息,如目标物体距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对目标物体进行探测、跟踪和识别。

但是，目前已实现量产的三维扫描激光雷达多为多线机械式旋转激光雷达，该激光雷达内部设置有宏观的机械旋转部件以对整个结构进行机械旋转，因此该激光雷达存在较严重的机械磨损，且可靠性较低，体积较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种激光雷达，可减小激光雷达的整体体积，降低机械磨损，从而有利于提高激光雷达的可靠性。

本发明实施例提出一种激光雷达，该激光雷达包括：光线发射单元、光线接收单元和控制处理单元；

所述光线发射单元用于发出探测光束，所述光线接收单元用于接收被目标物体反射回来的回波光束，所述控制处理单元用于根据所述探测光束和所述回波光束确定所述目标物体的相关信息；所述目标物体的相关信息包括距离、方位、高度和速度中的至少一种；

其中，所述光线发射单元包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元、光学相控阵子单元和反射棱镜子单元，所述光源子单元、所述光学相控阵子单元和所述反射棱镜子单元分别与所述控制处理单元电连接；

所述控制处理单元控制所述光源子单元发出入射光束；

所述控制处理单元控制所述光学相控阵子单元将所述入射光束在第一平面内偏转，以形成在所述第一平面上具有一预设扫描角度的一维光束，所述一维光束照射至所述反射棱镜子单元的反射面上；

所述控制处理单元控制所述反射棱镜子单元将照射至所述反射面上的所述一维光束在第二平面内偏转，以实现所述一维光束在所述第二平面上扫描，形成所述探测光束；

其中，所述第一平面与所述第二平面相交。

进一步地，所述第一平面与所述第二平面垂直。

进一步地，所述光线发射单元还包括准直子单元，所述准直子单元位于所述光源子单元与所述光学相控阵子单元的光路中；

所述准直子单元用于将所述光源子单元发出的所述入射光束准直，并将准直后的所述入射光束照射至所述光学相控阵子单元。

进一步地，所述光源子单元包括一个激光器。

进一步地，所述光学相控阵子单元包括光波导阵列；

所述控制处理单元依次向所述光波导阵列提供预设电压；所述光波导阵列根据依次接收的预设电压将所述入射光束偏转预设角度。

进一步地，所述控制处理单元在预设扫描时间内向所述光波导阵列提供不同的所述预设电压，以使光波导阵列根据不同的所述预设电压将所述入射光束偏转不同的所述预设角度，形成所述一维光束。

进一步地，所述预设电压小于或等于10v，所述预设扫描角度在±10°范围内。

进一步地，所述光波导阵列为algaas光波导阵列或硅基光波导阵列。

进一步地，所述光线发射单元还包括驱动子单元，所述反射棱镜子单元通过所述驱动子单元与所述控制处理单元电连接；

所述控制处理单元还用于控制所述驱动子单元向所述反射棱镜子单元提供驱动力，以使所述反射棱镜子单元旋转以将照射至所述反射面上的所述一维光束在第二平面内偏转，以实现所述一维光束在所述第二平面上扫描，形成所述探测光束。

进一步地，所述光线接收单元包括沿光的传播方向依次排列的接收透镜子单元和阵列探测子单元，所述阵列探测子单元与所述控制处理单元电连接；

所述接收透镜子单元用于接收所述回波光束，并将所述回波光束聚焦至所述阵列探测子单元；

所述阵列探测子单元用于将接收的所述回波光束转换为电信号，并将所述电信号传输至所述控制处理单元。

进一步地，所述阵列探测子单元包括光子探测器。

进一步地，所述控制处理单元采用时间飞行法、相位法和调频连续波法中的至少一种确定所述目标物体的相关信息。

本发明实施例提供了一种激光雷达，该激光雷达包括光线发射单元、光线接收单元和控制处理单元；光线发射单元用于发出探测光束，光线接收单元用于接收被目标物体反射回来的回波光束，控制处理单元用于根据探测光束和回波光束确定目标物体的相关信息；目标物体的相关信息包括距离、方位、高度和速度中的至少一种；通过设置光线发射单元包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元、光学相控阵子单元和反射棱镜子单元，光源子单元、光学相控阵子单元和反射棱镜子单元分别与控制处理单元电连接；控制处理单元控制光源子单元发出入射光束；控制处理单元控制光学相控阵子单元将入射光束在第一平面内偏转，以形成在第一平面上具有一预设扫描角度的一维光束，一维光束照射至反射棱镜子单元的反射面上；控制处理单元控制反射棱镜子单元将照射至反射面上的一维光束在第二平面内偏转，以实现一维光束在第二平面上扫描，形成探测光束；其中，第一平面与第二平面交叉；可实现三维扫描，同时，无需整机旋转，有利于降低机械磨损，有利于提高激光雷达的可靠性；且可减小激光雷达的整体体积，有利于集成化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种激光雷达中光波导阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明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本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。参照图1，该激光雷达10包括：光线发射单元110、光线接收单元120和控制处理单元130；光线发射单元110用于发出探测光束，光线接收单元120用于接收被目标物体20反射回来的回波光束，控制处理单元130用于根据探测光束和回波光束确定目标物体20的相关信息；目标物体20的相关信息包括距离、方位、高度和速度中的至少一种；其中，光线发射单元110包括沿光的传播方向依次排列的光源子单元111、光学相控阵子单元112和反射棱镜子单元113，光源子单元111、光学相控阵子单元112和反射棱镜子单元113分别与控制处理单元130电连接；控制处理单元130控制光源子单元111发出入射光束；控制处理单元130控制光学相控阵子单元112将入射光束在第一平面内偏转，以形成在第一平面上具有一预设扫描角度的一维光束，一维光束照射至反射棱镜子单元113的反射面上；控制处理单元130控制反射棱镜子单元113将照射至反射面上的一维光束在第二平面内偏转，以实现一维光束在第二平面上扫描，形成探测光束；其中，第一平面与第二平面相交。

示例性的，光线发射单元110为激光发射单元，光线接收单元120为激光接收单元，探测光束、回波光束、入射光束以及一维光束均为激光光束。

其中，一维光束可理解为入射光束在第一平面内偏转的各个角度而形成的所有不同偏转角度的光束整体，该光束整体可在第一平面内扫描。

其中，该激光雷达10利用光学相控阵子单元112实现第一平面内的光束扫描，结合反射棱镜子单元113实现的在第二平面内的光束扫描；也可理解为该激光雷达10利用光学相控阵子单元112实现一个维度的光束扫描，结合反射棱镜子单元113实现另一个维度光束的扫描。

其中，光学相控阵子单元112基于光学相控阵技术实现光束偏转。光学相控阵技术源于微波相控阵技术，光学相控阵子单元112基于电光效应或热光效应实现偏转以实现光束扫描。示例性的，以电光效应为例，光学相控阵子单元112的核心部件是由电光材料构成的多个相位调制单元，通过控制加载到相位调制单元上的电压，使每个相位调制单元产生相应的相位延迟，从而控制每个相位调制单元出射端的光场分布，实现入射光束的偏转。

示例性的，在时间尺度上，通过给相位调制单元加载不同的一系列电压，可实现入射光束在不同的一系列角度的偏转，从而可利用控制处理单元130控制光学相控阵子单元112以实现入射光束在第一平面内扫描。

该激光雷达10采用了光学相控阵技术，在非机械旋转以及非机械振动的情况下，实现入射光束在第一平面内扫描，从而可降低机械磨损，有利于提高光束扫描速度及角度分辨率，以及有利于提高激光雷达10的可靠性。同时，由于光学相控阵子单元112无需机械驱动，因此无需设置动力驱动部件，从而有利于减小激光雷达10的整体体积，如此该激光雷达更易于集成化设计，更加适应现代测量技术的需求。

可选的，第一平面与第二平面垂直。

示例性的，第一平面为竖直平面，第二平面为水平平面。

需要说明的是，第一平面和第二平面的夹角还可以根据激光雷达10的实际探测需求设置，本发明实施例对此不作限定。

可选的，光源子单元111包括一个激光器。

如此设置，与多线机械式旋转激光雷达相比该激光雷达10可实现较高的角度分辨率，同时整机功耗较低；且激光雷达10的整体结构简单，有利于降低激光雷达10的整体设计和制作成本。

示例性的，激光器可为激光二极管、光纤激光器、气体激光器、固体激光器或本领域技术人员可知的其他类型的激光器；激光器可为单波长输出激光器，也可为多波长输出激光器；激光器输出的激光的可以是偏振光，也可以是非偏振光；激光器的激光输出方式可为连续输出，也可为脉冲输出；以上，均可根据激光雷达10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

需要说明的是，光源子单元111中的激光器的个数还可根据激光雷达10的实际需求设置，可为2个或更多个，本发明实施例对此不作限定。

可选的，图2是本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。参照图2，光线发射单元110还包括准直子单元114，准直子单元114位于光源子单元111与光学相控阵子单元112的光路中；准直子单元114用于将光源子单元111发出的入射光束准直，并将准直后的入射光束照射至光学相控阵子单元112。

其中，光源子单元111发出的光束为发散的光束，准直子单元114对由光源子单元111发出的发散的光束进行准直，形成平行光束后照射到光学相控阵子单元112的入射面，从而可避免能量的损失，有利于提高由光线反射单元110发出的探测光束的信号强度。

示例性的，准直子单元114可包括柱面镜、准直透镜以及本领域技术人员可知的其他光学元件。

需要说明的是，当光源子单元111内部集成光束准直功能时，则无需另设准直子单元。

可选的，光学相控阵子单元112包括光波导阵列；控制处理单元130依次向光波导阵列提供预设电压；光波导阵列根据依次接收的预设电压将入射光束偏转预设角度。

其中，预设角度可理解为光波导阵列在某一预设电压下将入射光束偏转的一角度，通过给光波导阵列加载一系列电压，可使入射光束偏转一系列预设角度，从而形成在第一平面上具有预设扫描角度范围的一维扫描光束。

其中，由于光波导阵列的光束扫描速度较快，其扫描频率可以达到mhz量级，因此该激光雷达10可实现较高的角度分辨率；同时，光波导阵列的驱动电压较低，有利于降低激光雷达10的整体功耗。

示例性的，图3是本发明实施例提供的一种激光雷达中光波导阵列的结构示意图。参照图3，该光波导阵列包括形成在衬底基板400上且交替叠加设置的电极层410和光波导层420；其中，电极层410也可称为包层410，光波导层420也可称为芯层420；其中，一个光波导层420和一个电极层410对应一个相位调制单元。控制处理单元130施加预设电位至电极层410，则在每个波导层420产生相应的电位差(即电压)，通过光波导层420中晶体的电光效应的作用，每个相位调制单元产生相应的相位延迟，进而改变入射光束30在光波导阵列出射面的相位分布，从而实现第一平面内(例如，第一方向x和第二方向y所决定的垂直平面内)的光束偏转。

需要说明的是，第二方向y和第三方向z所决定的平面为水平平面，第一方向x和第二方向y所决定的平面为入射光束30在光波导阵列上的入射面，图3中示例性的以加粗的虚线框示出了入射光束30入射至光波导阵列的光斑的大小。示例性的，入射光束30的尺寸在微米(μm)级。

需要说明的是，图3中仅示例性的示出了光波导阵列包括四层电极层410和三层光波导层420，但并不构成对本发明实施例提供的光波导阵列的限定。在其他实施方式中，可根据激光雷达10的实际需求，设置光波导阵列中电极层410和光波导层420的层数，本发明实施例对此不作限定。

可选的，控制处理单元130在预设扫描时间内向光波导阵列提供不同的预设电压，以使光波导阵列根据不同的预设电压将入射光束偏转不同的预设角度，形成一维光束。

也即，通过控制处理单元130在光波导阵列上加载不同的电压组合，可以实现光束在垂直平面内的扫描。

需要说明的是，上述预设电压对应加载至每层光波导层420上的电压差值。由于光波导阵列的实际制作过程的环境条件和工艺参数的限制，每层光波导层420的物理性能(主要指电光效应)不完全相同，因此该预设电压可根据理论预设电压以及光波导层420的实际物理性能设置，本发明实施例对其具体数值不作限定。

可选的，预设电压小于或等于10v，预设扫描角度在±10°范围内。

如此，有利于在较低的驱动电压下，实现在第一平面内20°的角度变化范围内进行扫描。

可选的，光波导阵列为algaas光波导阵列或硅基光波导阵列。

示例性的，algaas晶体对近红外波段透光性好，通过控制al的组分可获得所需要的折射率的光波导阵列。利用algaas光波导阵列构成的光学相控阵子单元的响应时间在ns级。

示例性的，可通过金属有机化学气相沉积法(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)制作algaas光波导阵列，其衬底材料为gaas,芯层材料为algaas。mocvd是一种利用金属有机化合物作为源物质的化学气相淀积工艺。mocvd是以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和v、ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种ⅲ-v主族、ⅱ-ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

需要说明的是，还可采用本领域技术人员可知的其他方式形成光波导阵列，光学相控阵子单元还可以包括本领域技术人员可知的其他类型的光学相控阵，例如，铌酸锂晶体相控阵、液晶相控阵或压电陶瓷相控阵，本发明实施例对此不作限定。

可选的，图4是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图。参照图4，反射棱镜子单元113包括多面反射棱镜。

示例性的，多面反射棱镜可以是直角五棱镜(图4中所示)、直角三棱镜、直角四棱镜、直角六棱镜或其他类型的直角多面反射棱镜，多面反射棱镜的不同侧面还可与底面呈不同角度，本发明实施例对此不作限定。

可选的，图5是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图。参照图5，光线发射单元110还包括驱动子单元115，反射棱镜子单元113通过驱动子单元115与控制处理单元130电连接；控制处理单元130还用于控制驱动子单元115向反射棱镜子单元113提供驱动力，以使反射棱镜子单元113旋转以将照射至反射面上的一维光束在第二平面内偏转，以实现一维光束在第二平面上扫描，形成探测光束。

其中，驱动子单元115驱动反射棱镜子单元113连续旋转，由于反射棱镜子单元113的旋转角速度不变，应用于脉冲激光雷达时，有利于使得第二平面内的扫描角度间隔均匀。

如此，只需要旋转反射棱镜子单元113，而不需要激光雷达10进行整机旋转，有利于降低激光雷达10的驱动功耗，同时有利于降低激光雷达10的机械损耗，从而有利于延长激光雷达10的使用寿命。

可选的，图6是本发明实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图。参照图4和图6，光线接收单元120包括沿光的传播方向依次排列的接收透镜子单元121和阵列探测子单元122，阵列探测子单元122与控制处理单元130电连接；接收透镜子单元121用于接收回波光束，并将回波光束聚焦至阵列探测子单元122；阵列探测子单元122用于将接收的回波光束转换为电信号，并将电信号传输至控制处理单元130。

其中，回波光束被接收透镜子单元121接收并聚焦至阵列探测子单元122，阵列探测子单元122将回波光束的光信号转换成电信号，并传输至控制处理单元130；控制处理单元130对电信号进行放大处理，最终获得目标物体的距离、方位、高度、速度等信息。

示例性的，接收透镜子单元121可包括球面镜组或非球面镜组，可实现将回波光束聚焦至阵列探测子单元122即可，本发明实施例对接收透镜子单元121中的光学元件的组成不作限定。

可选的，阵列探测子单元122包括光子探测器。

示例性的，光子探测器可为阵列排布的多个雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，apd)，如此设置，便于减小阵列探测子单元122的体积。

示例性的，阵列探测子单元122还可为单个大面元apd、焦平面阵列探测器、单点设置或阵列设置的硅光电倍增管(multi-pixelphotoncounter，mppc)探测器或本领域技术人员可知的其他类型的阵列探测器，本发明实施例对此不作限定。

可选的，控制处理单元130采用时间飞行法、相位法和调频连续波法中的至少一种确定目标物体20的相关信息。

示例性的，时间飞行法(timeofflight，tof)通过计算激光脉冲的时间差来确定目标物体20的位置信息。

示例性的，相位法通过计算探测光束与回波光束的相位差确定目标物体20的距离。

示例性的，调频连续波法(frequencymodulatedcontinuouswave，fmcw)通过计算探测光束与回波光束之间的频率差确定目标物体20的距离。

需要说明的是，控制处理单元130还可采用本领域技术人员可知的其他方法确定目标物体10的相关信息，本发明实施例对此不作限定。

本发明实施例提供的激光雷达10，可采用单个激光器光源，通过光学相控阵技术实现垂直方向的扫描，使用直角多面反射棱镜实现水平方向的扫描。激光雷达10中的激光器被点亮后，出射的激光(即入射光束)经准直子单元(也可称为发射准直系统)后进入光波导阵列，通过控制处理单元为光波导阵列中的各个相位调制单元加载一系列电压数据，实现垂直方向光束偏转；再经直角多面反射棱镜将光束反射出去，通过转动直角多面反射棱镜可实现多层扫描。探测光束(也可称为扫描光束)经空间一个或多个目标物体的反射，形成回波光束(也可称为反射光束)，通过接收透镜子单元(也可称为接收透镜组)接收并聚焦到阵列探测子单元(也可称为阵列探测器)，阵列探测子单元将光信号转换为电信号，由控制处理单元对电信号进行处理得到物体的距离、方位信息，最后生成三维点云图。其中，光波导阵列体积小、扫描精度高、响应时间快、驱动电压低，与多线机械式旋转激光雷达及基于反射镜旋转或扭转的激光雷达或基于棱镜扫描技术的激光雷达相比可以有效提高角度分辨率及扫描频率；由于光波导相控阵具有响应度高、驱动电压低等特点，故可以在低功耗下实现高速扫描。采用单个激光器作为光源，有利于降低整机功耗；只需要旋转直角多面反射棱镜，而无需整机旋转，有利于降低功耗以及降低旋转损耗，提高激光雷达的可靠性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。