一种激光发射装置及激光雷达系统的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光发射装置以及包括有所述激光发射装置的激光雷达系统。

背景技术：

激光雷达系统是一种发射激光束探测目标物体、速度等信息的系统。激光雷达系统具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，因而广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等众多技术领域。

激光雷达系统包括有激光发射系统和接收系统，激光发射系统产生激光脉冲并向目标物体发射激光脉冲(激光束)，激光束打到目标物体上并发射回来，经目标物体反射回来的激光信号(激光脉冲)被激光接收系统接收，激光接收系统的接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为激光脉冲以光速传播，所以接收系统总会在下一个激光脉冲发出之前收到前一个被反射回来的激光脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量，经激光接收系统的处理后，就可以获得目标物体的相关信息，能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状等信息，从而实现对目标物体的探测、跟踪和识别。由于其具有测量速度快、精度高和测距远等优点，因此得到了广泛应用。

随着市场需求的不断扩大，激光雷达系统需要满足体积小、可靠性高、分辨率高、探测距离远等性能。在目前的激光雷达系统中，为了提高激光雷达的测距范围，通常会设置多路激光雷达进行扫描，每一路中都具有多个激光器且直接安装在发射电路板上，从而导致发热量大且很难散出。此外，随着使用激光雷达发射系统的设备向小型化趋势发展，激光雷达发射系统实现结构紧凑、装配简单且稳定化也是目前需要改进的问题。

故，针对上述现有技术存在的问题，实有必要进行开发研究，以提供一种解决方案，解决激光雷达发射系统的散热问题，并使得激光雷达发射系统结构紧凑、装配简单、测试性能高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种便于散热，且结构紧凑、装配简单、测试性能高的激光发射装置以及激光雷达系统。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种激光发射装置，包括激光发射单元、fac透镜、热沉以及激光反射单元；其中，所述激光反射单元包括有激光偏转器以及反射镜，所述fac透镜设置于激光发射单元与激光偏转器之间；所述激光发射单元、fac透镜以及激光偏转器安装于热沉上。

可选地，所述热沉的表面设置有固定槽，以用于支撑固定所述fac透镜，以利于fac透镜的定位和对准。

可选地，所述激光发射装置还包括激光发射电路板，所述激光发射电路板上设置有驱动激光发射单元发出激光束的驱动电路。

可选地，所述激光发射单元包括有多个激光发射器，所述多个激光发射器在水平方向上以相同间距排布设置。

可选地，所述激光偏转器为三角棱镜，所述反射镜与三角棱镜呈预设夹角设置。

可选地，所述激光发射装置还包括有透镜单元；所述透镜单元设置在激光信号的传播光路上且位于反射镜与目标物体之间。

可选地，所述热沉垂直固定在激光发射电路板上，激光发射单元与反射镜对准放置，确保发射的激光信号照射到反射镜的镜面部分。

本发明的另一技术方案为：

一种激光雷达系统，包括有前述方案所述的激光发射装置，还包括有激光接收装置、控制和处理电路；其中，所述控制和处理电路与激光发射装置电性连接，以控制激光发射装置向目标物体发射激光光束；所述控制和处理电路还与激光接收装置电性相连，以控制激光接收装置接收经目标物体反射的回波信号，并对所接收的经目标物体反射的回波信号进行处理，以得到目标物体的距离信息。

可选地，所述激光接收装置包括有激光接收电路板、设置于激光接收电路板上的激光接收单元、过滤单元、以及反射透镜与透镜单元；所述激光接收电路板上设置有驱动激光接收单元接收激光信号的驱动电路。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明激光发射装置将激光发射单元安装在热沉上，可以将激光发射单元在工作时产生的热量及时消散，可避免激光发射装置相关器件的损坏；另外，通过反射单元优化了激光发射装置内部的传播光路，从而既可以实现激光发射装置整体的结构紧凑、装配简单、测试性能高等特点，又可以解决多线路激光发射单元散热的问题。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明激光发射装置的原理结构示意图；

图2是本发明激光发射装置的结构图示；

图3是本发明激光发射装置的另一实施例结构示意图；

图4是本发明另一实施例激光雷达系统的模块框图；

图5是本发明另一实施例激光雷达系统的激光接收装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

另需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“外”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发明和简化描述，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发明的限制。

参照图1-图2所示，作为本发明一实施例，提供一种激光发射装置101，所述激光发射装置101包括有激光发射单元201、fac(快轴准直)透镜202、热沉205以及激光反射单元；其中，所述激光反射单元包括有激光偏转器203以及反射镜204，所述fac透镜202设置于激光发射单元201与激光偏转器203之间；所述激光发射单元201、fac透镜202以及激光偏转器203安装于热沉205上。

所述激光发射单元201用于产生激光光束，可以是边发射半导体激光器、垂直腔面发射激光器、光纤激光器等。本发明实施例中，所述激光发射单元201包括多个激光发射器2011，每一路激光发射器2011都可以发射一路激光信号；所述多个激光发射器2011在水平方向上以相同间距排布设置，可以理解的是，在其他实施方式中，所述多个激光发射器2011也可以以不规则方式排布设置，本发明实施例对其排布不做特别限制，无论以何种方式排布设置，均应属于本发明之保护范围。

所述fac透镜202与激光发射单元201对准，对激光发射单元201发射的激光光束的快轴方向发散角进行压缩汇聚，使尽可能多的激光信号射入反射单元；本发明实施例中，所述激光发射单元201所发射的激光光束的射出方向正交于所述fac透镜202的轴线方向。所述fac透镜202可以为柱面透镜、圆棒透镜，在其它实施例中还可以为光纤。

所述热沉205表面设置有固定槽(未标号)，以用于支撑固定所述fac透镜202，以有利于fac透镜202的定位和对准，即使遭受振动等外力，仍然能够稳定的固定住fac透镜，保证整个系统的稳定性。本发明实施例中，所述fac透镜202为棒型的柱面透镜；所述固定槽的形状可以是v形槽、半圆形、弧形或者这些形状的组合；所述固定槽的深度为d，开口为t，所述fac透镜202的厚度为h；所述深度d、开口t与厚度h之间满足关系式：

从而可以达到既稳定固定fac透镜202，又利于fac透镜202与所述激光发射单元201的对准，并且实现了激光发射装置的紧凑结构。

所述热沉205用于对激光发射单元201进行散热，从而稳定激光发射单元201的工作温度，本发明实施例中，所述激光发射单元201和fac透镜202都安装在热沉205上，所述热沉的材料可以为aln、al2o3、铜基板等。

所述激光反射单元用于调整激光信号的发射角度，所述激光反射单元包括有激光偏转器203以及反射镜204；本发明实施例中，所述激光偏转器203为三角棱镜，所述反射镜204与三角棱镜呈预设夹角设置。其中，从激光发射单元201发射的激光信号经fac透镜202进行准直压缩后出射到三角棱镜上，激光信号在三角棱镜的表面发生反射，光束偏转90°后射到反射镜204上。可以理解的是，在一些其他实施例上，所述激光偏转器203也可采用反射镜、棱镜、mems振镜和/或其中的任意组合。

作为本发明一实施例，所述激光发射装置101还包括激光发射电路板206，所述激光发射电路板206上设置有驱动激光发射单元201发出激光信号的驱动电路(未图示)，所述驱动电路通过导电线路连接激光发射单元201，当然，所述驱动电路也可通过激光发射电路板206上的打金线连接激光发射单元201，在本发明实施例中不作特别限制。

所述热沉205固定在激光发射电路板206上，固定方式可用胶水固定，也可用焊锡、激光焊等其他方式固定，在此不作特别限制。

本发明实施例中，所述激光发射电路板206对应热沉205设置有热沉205安装区域，所述安装区域的面积大小与热沉205完全一致。在其它实施例中，所述热沉205与所述激光发射电路板206可以通过软排线连接。在其它实施例中也可以将热沉205嵌入激光发射电路板206的内部，为确保激光光路正常出射，可设置两层热沉205堆叠结构，如图1所示，下层热沉与电路板内部凹槽重叠，保证激光发射单元201位于激光发射电路206的上部。

作为本发明一实施例，所述激光发射装置101还包括有透镜单元207，所述透镜单元207设置在激光光束的传播光路上且位于反射镜204与目标物体104之间。所述透镜单元207为普通的光学透镜，也可以为凸透镜、凹透镜或者多种透镜的组合。所述透镜单元207用于对来自反射透镜204的激光光束进行准直，经过准直后每束光束都能形成一个近似的圆形光斑，从而使得激光发散角更小，激光能量更集中，可以增强探测距离。

作为本发明一实施例，所述激光发射装置101还包括半导体制冷器(未图示)，通过所述半导体制冷器以对所述热沉205进行制冷。所述热沉205设置在所述半导体制冷器上，在热沉205与半导体制冷器之间可设置有导热垫层(未图示)，所述导热垫层采用高导热率、以及良好的电绝缘性的高导热绝缘有机硅材料制成。所述激光发射电路板206上设置有用于控制半导体制冷器的控制电路，通过导线将半导体制冷器连接到激光发射电路板的控制电路上，从而籍由控制电路以对半导体制冷器进行控制，例如：通过控制半导体制冷器的电流，以增强或减小其制冷效果。

图3是本发明激光发射装置的另一实施例，所述激光发射装置301包括有激光发射单元201、fac透镜202、热沉205、反射镜204以及激光发射电路板206；其中，所述激光发射单元201和fac透镜202固定在热沉205上；所述激光发射电路板206上设置有驱动激光发射单元201发射激光信号的驱动电路，所述热沉205垂直固定在激光发射电路板206上。

所述激光发射单元201用于产生激光光束；所述fac透镜202与激光发射单元201进行对准，用于对激光光束快轴方向的发散角进行压缩，使尽可能多的激光束到达反射镜204；所述反射镜204用于调整激光光束的发射角度，并将激光信号反射到目标物体104。在本实施例中，所述激光发射单元201与反射镜204对准放置，以确保所述激光发射单元201发射的激光光束照射到反射镜204的镜面部分。

其中，所述激光发射单元201所发射的激光光束的射出方向正交于与所述fac透镜202的轴线方向。所述热沉205表面设置有固定槽(未标号)，以用于支撑固定所述fac透镜202，以利于fac透镜202的定位和对准，即使遭受振动等外力，仍然能够稳定的固定住fac透镜，保证整个系统的稳定性。其中，所述fac透镜202为棒型的柱面透镜，所述固定槽的形状可以是v形槽、半圆形、弧形或者这些形状的组合；所述固定槽的深度为d，开口为t，所述fac透镜202的厚度为h；所述深度d、开口t与厚度h之间满足关系式：

从而可以达到既稳定固定fac透镜202，又利于fac透镜202与所述激光发射单元201的对准，并且实现了激光发射装置的紧凑结构。

所述热沉205用于对激光发射单元201进行散热，从而稳定激光发射单元201的工作温度，激光发射单元201和fac透镜202都安装在热沉205上。所述热沉205系采用导热性能好的材质制成。

从激光发射单元201发射的激光光束经fac透镜202进行准直压缩后出射到反射镜204上。所述激光发射装置301还包括有透镜单元207；所述透镜单元207设置在激光光束的传播光路上且位于反射镜204与目标物体104之间。所述透镜单元207为普通的光学透镜，也可以为凸透镜、凹透镜或者多种透镜的组合。所述透镜单元207用于对来自反射透镜204的激光信号进行准直，经过准直后每束光线都能形成一个近似的圆形光斑，从而使激光发散角更小，激光能量更集中，可以增强探测距离。

本发明激光发射装置将激光发射单元安装在热沉上，可以将激光发射单元在工作时产生的热量快速消散，避免对元器件造成损坏；另外，通过反射单元优化了激光发射装置内部的传播光路，从而既可以实现激光发射装置整体的结构紧凑、装配简单、测试性能高等特点，又可以解决多线路激光发射单元散热的问题。

图4所示为本发明另一实施例，提供一种激光雷达系统10，所述激光雷达系统10包括有前述方案中的激光发射装置101，还包括有激光接收装置102、控制和处理电路103；其中，所述控制和处理电路103与激光发射装置101电性连接，以控制激光发射装置101向目标物体104发射激光光束；所述控制和处理电路103还与激光接收装置102电性相连，以控制激光接收装置102接收经目标物体104反射的回波信号，并对所接收的经目标物体104反射的回波信号进行处理，以得到目标物体104的相关信息。

所述激光接收装置102包括有接收器(未图示)、处理器(未图示)；其中，所述接收器可接收或检测来自目标物体反射回的激光束，并生成一个或多个回波信号，该回波信号传送到处理器，处理器对该回波信号进行处理并分析出目标物体的一个或多个目标特征。

作为本发明一实施例，所述接收器可以为一个或多个雪崩光电二极管(apd)、pd光电二极管、pin光电二极管或单光子雪崩光电二极管(spad)等，在本发明中不作特别限制。所述控制和处理电路103包括有处理器、控制器，以用于对发射装置101、接收装置102进行相应控制和处理。作为本发明一实施例，所述控制器可向激光器发送产生光脉冲的指令、控制信号或触发信号，以此控制激光器产生光脉冲的频率、周期、持续时间或波长等。此外，所述控制器还可以电气耦合或通信耦合方式连接到激光器以及接收器，通过控制激光器发射脉冲和接收器检测或接收回波信号的定时信息来确定光脉冲的飞行时间。

图5是本发明实施例的激光接收装置102的结构示意图，激光发射装置101向目标104发射激光光束，经目标104反射回的激光信号经过透镜单元404准直汇聚到反射镜403，反射镜403反射激光信号通过过滤单元402进入激光接收单元401，反射镜403与激光接收单元401呈预设角度固定放置。

具体地，所述激光接收装置102包括有激光接收电路板405、设置于激光接收电路板405上的激光接收单元401、过滤单元402、以及反射透镜403与透镜单元404。激光接收电路板405上设置有驱动激光接收单元401接收激光信号的驱动电路。

所述透镜单元404设置于反射镜403与目标物体104之间，且设置在激光信号的传播光路上。本发明实施例中，所述透镜单元207为普通的光学透镜，其可以为凸透镜、凹透镜或者多种透镜的组合。透镜单元407对激光信号进行准直和汇聚，从而使激光束更加优化。

所述过滤单元402设置在激光接收单元401与反射透镜403之间，其包含窄带滤光片和宽带滤光片，用于过滤杂散光、背景光等，减少激光接收单元401所接收到的噪声信号。

所述激光接收单元401包含激光接收处理器，用于对接收到的回波信号进行接收并处理。作为本发明一实施例，所述激光接收单元401还包括接收器，用于将接收到的光信号转化为电信号，并通过相应的接收处理器进行处理，从而得到目标物104的信息。

本发明激光雷达系统通过对其发射装置以及接收装置的特殊结构设计，将激光发射单元安装在热沉上，可以将激光发射单元在工作时产生的热量消散，避免对器件造成损坏；另外，通过反射单元优化了激光发射装置内部的传播光路，从而既可以实现激光雷达系统的整体结构紧凑、装配简单、测试性能高等特点，又可以解决多线激光发射单元散热的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述设备的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件结合软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。