激光雷达装置的制作方法

1.本技术涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种微型集成化的激光雷达装置。


背景技术：

2.现有的激光雷达系统中，机械旋转式激光雷达需要高速运动部件来带动旋转轴转动，从而导致结构重量大、稳定性差、寿命低等问题；并且多线激光雷达的发射、接收需要人工装调对准，存在体积大、功耗高、重量大、成本高等问题，难以适用于微纳机器人等小体积、低功耗约束下的探测场景。flash型激光雷达系统中，由于需要非常高的发射功率，导致同样功耗下探测距离非常有限，同样也无法适用于低功耗约束下的探测场景。


技术实现要素：

3.为了适应微纳机器人环境探测对激光雷达的低功耗、小体积需求，同时扩大激光雷达的扫描范围，进一步提升系统稳定性和分辨率，本技术提供了一种微型集成化的激光雷达装置。
4.本技术提供的激光雷达装置包括：光学发射扫描器和振镜，其中：所述光学发射扫描器，包括：
5.光源阵列，用于发射第一脉冲光束；
6.透镜阵列，位于第一脉冲光束的出射方向上，用于对第一脉冲光束进行准直；以及
7.光学束流阵列，位于第一脉冲光束的出射方向上，用于对准直后的第一脉冲光束进行偏折；
8.所述振镜，与所述光学发射扫描器相对设置，所述振镜的偏转改变第一脉冲光束的方向。
9.根据本技术的示例实施例，所述光学发射扫描器固定于所述振镜的表面，所述振镜的偏转改变所述光源阵列发射的第一脉冲光束的方向。
10.根据本技术的示例实施例，所述振镜与所述光学发射扫描器平行设置。
11.根据本技术的示例实施例，所述振镜在所述第一脉冲光束的方向上与所述光学发射扫描器以设定角度相对设置，并接收偏折后的第一脉冲光束，所述振镜的偏转改变偏折后的第一脉冲光束的方向。
12.根据本技术的示例实施例，所述振镜在第一脉冲光束的方向上与所述光学发射扫描器以45
°
角度相对设置。
13.根据本技术的示例实施例，所述光源阵列包括多个光源，分别发射第一脉冲光束；所述透镜阵列包括多个透镜，分别与所述多个光源对应设置，并分别准直对应光源发出的第一脉冲光束；所述光学束流阵列包括多个束流单元，分别与所述多个透镜对应设置，并分别偏折对应透镜准直后的第一脉冲光束。
14.根据本技术的示例实施例，所述光学束流阵列的多个束流单元具有不同的结构，经过所述光学束流阵列的不同束流单元的第一脉冲光束向不同方向偏折。
15.根据本技术的示例实施例，所述光源阵列的每个光源包括光源模块和光源驱动控制电路，其中，所述光源驱动控制电路控制所述光源模块发出第一脉冲光束。
16.根据本技术的示例实施例，所述光源模块包括vcsel、ld、eel和/或led。
17.根据本技术的示例实施例，所述透镜阵列为球面透镜阵列、菲涅尔透镜阵列和/或超表面透镜阵列。
18.根据本技术的示例实施例，所述光学束流阵列中的多个束流单元为具有不同楔形角度的折射结构、光栅结构和/或超表面结构。
19.根据本技术的示例实施例，所述的激光雷达装置还包括：
20.控制器，与所述光学发射扫描器相连，用于时序点亮所述光学发射扫描器的光源阵列中的多个光源，以发射第一脉冲光束。
21.根据本技术的示例实施例，所述振镜包括mems振镜。
22.根据本技术的示例实施例，所述激光雷达装置还包括：
23.第一腔体，所述光学发射扫描器和所述振镜容纳于所述第一腔体内；
24.第二腔体，与所述第一腔体相隔离，用于接收返回的第二脉冲光束。
25.根据本技术的示例实施例，所述激光雷达装置，还包括：
26.第一信号元件，设置于所述振镜和/或所述第一腔体的壳体上；
27.第二信号元件，设置于第二腔体的壳体上。
28.本技术提供的激光雷达装置采用微型集成化的光学发射扫描器，通过光源阵列、透镜阵列和光学束流阵列的组合，不依赖任何运动部件实现可寻址的光束空间扫描，在扩大激光雷达扫描范围的基础上提高了激光雷达的分辨率；将光学发射扫描器与振镜向结合，利用振镜的小幅度偏转达到激光雷达视野内全覆盖，运动机构运动范围显著减小，大大提高系统稳定性和使用寿命；按时序点亮光源模块，在降低光学发射扫描器的瞬时功耗的同时，避免了多个光源同时点亮时产生的大电流对光学发射扫描器造成的损坏，从而适应低功耗、小体积的探测场景需求。无需人工进行对准，适用于批量化生产，利于降低成本。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
30.图1示出根据本技术第一示例实施例的激光雷达装置组成示意图；
31.图2示出根据本技术第二示例实施例的激光雷达装置组成示示意图；
32.图3示出根据本技术示例实施例的光学发射扫描器的工作原理示意图；
33.图4示出根据本技术示例实施例的光学发射扫描器的工作过程示意图。
具体实施方式
34.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
35.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或操作等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
36.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
37.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
38.目前，激光雷达按照扫描方式主要分为机械旋转式激光雷达、flash型激光雷达、mems型激光雷达和相控阵激光雷达。
39.机械旋转式激光雷达系统是发展较早的激光雷达，技术相对比较成熟。但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂且稳定性也有待提升；机械旋转式激光雷达系统的硬件成本高，导致量产困难。此外，机械旋转式激光雷达系统需要使用高速运动部件，导致系统稳定性差、寿命低。
40.flash型激光雷达系统能快速记录整个场景，激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，激光雷达系统利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。由于现有的flash激光雷达技术需要较高的发射功率，导致同样功耗下的探测距离非常有限。
41.mems型激光雷达系统通过一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速在两个维度转动，完成2d扫描模式。但是，现有的mems型激光雷达系统的扫描范围受制于物理尺寸的限制。
42.相控阵激光雷达系统搭载的一排发射器虽然可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向，但该方案技术瓶颈较多，尚不具备产品化条件。
43.本发明人发现，现有的激光雷达系统中，机械旋转式激光雷达由于存在高速运动部件，导致结构重量大、稳定性差、寿命低等问题。而且，机械旋转激光雷达中多线激光雷达的发射、接收需要人工装调对准，体积大、功耗高、重量大、成本高，难以适用于微纳机器人等小体积、低功耗约束下的探测场景。flash型激光雷达系统中，由于需要非常高的发射功率，导致同样功耗下探测距离非常有限，同样也无法适用于低功耗约束下的探测场景。
44.为了解决现有的激光雷达系统无法适用于低功耗、小体积约束下的探测环境问题，以及运动部件稳定性差、寿命低导致的分辨率低的问题，本技术提的激光雷达系统采用微型集成化的光学发射扫描器，通过光源阵列、透镜阵列和光学束流阵列的组合，不依赖任何运动部件实现可寻址的光束空间扫描，提高激光雷达的分辨率，并且满足微纳机器人环境探测的低功耗、小体积要求；无需人工进行对准，适用于批量化生产，利于降低成本。此外，将微型集成化的光学发射扫描器与振镜相结合，使得运动机构运动范围显著减小，从而提高系统的稳定性差和使用寿命。
45.下面结合附图，对根据本技术的具体实施例进行详细说明。
46.图1示出根据本技术第一示例实施例的激光雷达装置组成示意图。
47.如图1所示，根据本技术的第一示例实施例，提供的激光雷达装置1000包括光学发射扫描器100、振镜200、第一腔体300和第二腔体400。
48.光学发射扫描器100用于发射探测用的第一脉冲光束。光学发射扫描器100包括层叠设置的光源阵列101、透镜阵列103和光学束流阵列105。光源阵列101用于发射探测用的第一脉冲光束；透镜阵列103位于第一脉冲光束的出射方向上，沿第一脉冲光束的方向设置于所述光源阵列101的上方，用于对第一脉冲光束进行准直；光学束流阵列105位于第一脉冲光束的出射方向上，沿第一脉冲光束的方向设置于所述透镜阵列103的上方，用于对准直后的第一脉冲光束进行偏折。
49.光源阵列101包括多个光源1011和第一电路板，多个光源1011在驱动下分别发射第一脉冲光束；多个光源1011可以采用银浆固晶工艺固定在第一电路板上。透镜阵列103包括多个透镜1031，分别与所述多个光源1011对应设置，并分别准直对应光源1011发出的第一脉冲光束。光学束流阵列105包括多个束流单元1051，分别与所述多个透镜1031对应设置，并分别偏折对应透镜1031准直后的第一脉冲光束。由于透镜阵列103和光学束流阵列105的存在，使得光学发射扫描器100发射出的不同第一脉冲光束的角度存在一定差别，离散地分布在激光雷达的设计探测视野范围内。
50.振镜200与光学发射扫描器100相对设置，使光学发射扫描器100发射出的第一脉冲光束的方向随所述振镜200的偏转而改变。参见图1，光学发射扫描器100可以固定于所述振镜200的表面，以使所述光源阵列发射的第一脉冲光束的方向随所述振镜的偏转而改变。例如，振镜200与光学发射扫描器平行设置100，光源阵列101的第一电路板以叠层的方式固定在振镜200上。第一电路板与振镜200之间可以通过钎焊进行固定。根据本技术的一些实施例，振镜200可以是mesm振镜，能够通过小幅偏转引导光学发射扫描器100发射的第一脉冲光束射向不同的方向，进而扩大光学发射扫描器100的扫描范围。当振镜200工作时，振镜200带动光源阵列101、透镜阵列103和光学束流阵列105一起运动，使得光学发射扫描器100的发射的第一脉冲光束的角度进一步随之改变。当振镜200的偏转角度大于或者等于光学束流阵列105的相邻束流单元之间的出光角度差时，本技术提供的激光雷达装置通过运动部件的小幅度运动使得扫描范围达到视野内全覆盖，提高了激光雷达装置的稳定性和使用寿命。
51.第一腔体300用于容纳光学发射扫描器100和振镜200。根据本技术的一些实施例，第一腔体300为发射腔体，其可以是采用注塑工艺成型的第一壳体310组成的中空腔。光学发射扫描器100和振镜200容纳于第一腔体300内，例如固定于第一壳体310的内壁上。参见图1，为了便于脉冲光束的发射和接收，光学发射扫描器100和振镜200可以倾斜一定角度固定于第一壳体310的内壁上。
52.第二腔体400为接收腔体，与第一腔体300相邻设置，用于接收探测目标返回的第二脉冲光束。参见图1，第二腔体400也可以是采用注塑工艺成型的壳体组成的中空腔。第二腔体400与第一腔体之间由隔离墙500进行机械隔离，不存在直接的光学通路。
53.参见图1，根据本技术的示例实施例，激光雷达装置1000还包括第一信号元件600和第二信号元件700。根据本技术的示例实施例，第一信号元件600和第二信号元件700可以
是单光子雪崩二极管。第一信号元件600设置于第一腔体300内，用于根据发射的脉冲光束产生参比信号。第二信号元件700设置于第二腔体400内，用于根据接收的第二脉冲光束产生回光信号。根据本技术的示例实施例，第一信号元件600可以通过银浆固晶工艺固定于振镜200的表面并随振镜200一起运动；也可以通过钎焊固晶工艺设置于第一腔体300的第一壳体310表面；或者同时设置于振镜200和第一壳体310上。
54.参见图1，激光雷达装置1000还可以包括回光透镜800和滤光元件900，沿着返回的第二脉冲光束的方向依次设置于第二腔体400的表面。回光透镜800可以是广角收光透镜，滤光元件900可以是窄带滤光片。经过回光透镜800和滤光元件900能够将返回的第二脉冲光束进行收集并过滤。
55.图2示出根据本技术第二示例实施例的激光雷达装置组成示意图。
56.如图2所示，根据本技术的第二示例实施例，提供的激光雷达装置2000包括光学发射扫描器100、振镜200、第一腔体300和第二腔体400。其中，振镜200在所述第一脉冲光束的方向上与所述光学发射扫描器100以设定角度相对设置，并接收偏折后的第一脉冲光束，以使偏折后的第一脉冲光束的方向随所述振镜的偏转而改变。第一腔体300为发射腔体，用于容纳光学发射扫描器100和振镜200。第二腔体400为接收腔体，与第一腔体300相邻设置，用于接收探测目标返回的第二脉冲光束。
57.光学发射扫描器100用于发射探测用的第一脉冲光束。光学发射扫描器100包括层叠设置的光源阵列101、透镜阵列103和光学束流阵列105。光源阵列101用于发射探测用的第一脉冲光束；透镜阵列103位于第一脉冲光束的出射方向上，沿第一脉冲光束的方向设置于所述光源阵列101的上方，用于对第一脉冲光束进行准直；光学束流阵列105位于第一脉冲光束的出射方向上，沿第一脉冲光束的方向设置于所述透镜阵列103的上方，用于对准直后的第一脉冲光束进行偏折。
58.光源阵列101包括多个光源1011和第一电路板，多个光源1011在驱动下分别发射第一脉冲光束；多个光源1011可以采用银浆固晶工艺固定在第一电路板上。透镜阵列103包括多个透镜1031，分别与所述多个光源1011对应设置，并分别准直对应光源1011发出的第一脉冲光束。光学束流阵列105包括多个束流单元1051，分别与所述多个透镜1031对应设置，并分别偏折对应透镜1031准直后的第一脉冲光束。由于透镜阵列103和光学束流阵列105的存在，使得光学发射扫描器100发射出的不同第一脉冲光束的角度存在一定差别，离散地分布在激光雷达的设计探测视野范围内。
59.振镜200与光学发射扫描器100以设定的角度相对设置，光学发射扫描器100发射出的第一脉冲光束经过振镜200的反射后向外发射，并随所述振镜200的偏转而改变方向。例如，振镜200在第一脉冲光束的方向上与光学发射扫描器100以45
°
角度相对设置，但本技术不限于此。根据本技术的一些实施例，振镜200可以是mesm振镜，能够通过小幅偏转引导光学发射扫描器100发射的第一脉冲光束射向不同的方向，进而扩大光学发射扫描器100的扫描范围。当振镜200工作时，使得光学发射扫描器100的发射的第一脉冲光束的角度进一步随之改变。当振镜200的偏转角度大于或者等于光学束流阵列105的相邻束流单元之间的出光角度差时，本技术提供的激光雷达装置通过运动部件的小幅度运动使得扫描范围达到视野内全覆盖，提高了激光雷达装置的稳定性和使用寿命。
60.第一腔体300可以是采用注塑工艺成型的第一壳体310组成的中空腔。第二腔体
400也可以是采用注塑工艺成型的壳体组成的中空腔。第二腔体400与第一腔体之间由隔离墙进行机械隔离，不存在直接的光学通路。
61.参见图2，根据本技术的示例实施例，激光雷达装置2000还包括第一信号元件600和第二信号元件700。根据本技术的示例实施例，第一信号元件600和第二信号元件700可以是单光子雪崩二极管。第一信号元件600设置于第一腔体300内，用于根据发射的脉冲光束产生参比信号。第二信号元件700设置于第二腔体400内，用于根据接收的第二脉冲光束产生回光信号。
62.参见图2，激光雷达装置2000还可以包括回光透镜800和滤光元件900，沿着返回的第二脉冲光束的方向依次设置于第二腔体400的表面。回光透镜800可以是广角收光透镜，滤光元件900可以是窄带滤光片。经过回光透镜800和滤光元件900能够将返回的第二脉冲光束进行收集并过滤。
63.图3示出根据本技术示例实施例的光学发射扫描器的工作原理示意图。
64.参见图3，本技术提供的激光雷达装置中使用的光学发射扫描器100包括光源阵列101、透镜阵列103和光学束流阵列105。光源阵列101的多个光源包括多个光源模块1011及对应的光源驱动控制电路1013，光源模块1011的数量可以根据激光雷达装置的点阵分辨率和视场角需求来确定；透镜阵列103包括多个透镜1031；光学束流阵列105包括多个束流单元1051。
65.光源阵列101用于发出第一脉冲光束，透镜阵列103设置在光源阵列101的上方，用于准直第一脉冲光束，光学束流阵列105设置在透镜阵列103的上方，用于偏折透镜阵列103准直后的第一脉冲光束。其中，光源阵列101的多个光源模块1011分别发出第一脉冲光束；透镜阵列103的多个透镜1031分别与多个光源模块1011对应设置，并分别准直对应光源发出的第一脉冲光束；光学束流阵列105的多个束流单元1051分别与多个透镜1031对应设置，并分别偏折对应透镜准直后的第一脉冲光束。
66.例如，如图3所示，以从左往右的顺序，透镜阵列103的第一个透镜1031的位置和光源阵列101的第一个光源模块1011的位置上下对齐，光学束流阵列105的第一个束流单元1051的位置和透镜阵列103的第一透镜1031的位置上下对齐。如图3所示，光源驱动控制电路1013控制光源模块1011发出第一脉冲光束。根据一些实施例，光源模块1011可以是vcsel、ld、eel和/或led。
67.在激光雷达中，需要激光的能量较为集中。而光源阵列101的每个光源模块发出的激光光束具有一定的发散角，因此，采用透镜阵列103对光源阵列101发出的第一脉冲光束进行准直处理。根据一些实施例，透镜阵列为球面透镜阵列、菲涅尔透镜阵列和/或超表面透镜阵列。
68.根据本技术的示例实施例，光学束流阵列105的多个束流单元1051具有不同的结构，以使得经过光学束流阵列的不同束流单元的脉冲光束向不同方向偏折。根据一些实施例，光学束流阵列105中的多个束流单元1051为具有不同楔形角度的折射结构、光栅结构和/或超表面结构。以楔形折射结构为例，光学束流阵列105中的多个束流单元1051为楔角不同的楔形折射结构。
69.例如，如图3中的箭头所示，光源阵列101的第二个光源模块1011发出的第一脉冲光束，依次经过透镜阵列103的第二个透镜的准直和光学束流阵列105第二个束流单元的偏
折，形成与第二个束流单元1051的楔形结构对应的偏折角度，以不同与其他光源的方向进行空间扫描。
70.根据本技术的实施例，光学发射扫描器采用光源阵列、透镜阵列和光学束流阵列组合，在不依赖任何运动部件的情况下实现光束空间扫描，相比于现有的激光雷达，具有体积小、稳定性高及使用寿命长等优点。由于不需要人工装调对准，因此更便于批量化生产，降低生产成本。
71.根据本技术的实施例，通过控制光学发射扫描器的光源阵列中的多个光源采用时序点亮的方式完成视场范围内的空间扫描，在降低光学发射扫描器的瞬时功耗的同时，避免了多个光源同时点亮时产生的大电流对光学发射扫描器造成的损坏。
72.以图3为例，光学束流阵列105可以包括5个楔角不同的束流单元1051。其中，位于中间位置的束流单元1051的楔角为0
°
；左侧第二个束流单元1051的楔角为-45
°
、右侧第二个束流单元1051的楔角为45
°
；左侧第一个束流单元1051的楔角为-60
°
、右侧第一个束流单元1051的楔角为60
°
。由此，光学发射扫描器发射的经过准直后的第一脉冲光束在-60
°
～60
°
的范围内进行偏折，从而扩大光学发射扫描器的扫描范围。
73.图4示出根据本技术示例实施例的光学发射扫描器的工作过程示意图。
74.下面结合图3和图4，对根据本技术示例实施例的光学用发射扫描器的工作过程进行详细说明。
75.如图4所示，执行步骤s401，位于光源阵列中的光源驱动控制电路1013控制光源模块1011发出第一脉冲光束。根据一些实施例，该脉冲光束带有发散角。
76.当脉冲光束到达透镜阵列1031时，执行步骤s403，实现第一脉冲光束的准直。例如，光源阵列101的第二个光源发出的第一脉冲光束，经过透镜阵列103的第二个透镜实现第一脉冲光束的准直。
77.当脉冲光束准直后到达光学束流阵列105时，由于光学束流阵列105的每个束流单元具有不同的三维结构，如图3所示，每个束流单元为具有不同楔角的楔形结构，使得在执行步骤s405时，第一脉冲光束经过光学束流阵列向不同方向偏折。例如，经过透镜阵列103的第二个透镜的脉冲光束，经过光学束流阵列105第二个束流单元的偏折，形成与第二个束流单元的楔形结构对应的偏折角度，以不同于其他光源的方向出射。
78.根据本技术的实施例，执行步骤s401时，利用控制器控制光源阵列101中各光源模块1011按时序点亮，可以完成光束在一定视场范围内的空间扫描，在降低光学发射扫描器的瞬时功耗的同时，避免了多个光源同时点亮时产生的大电流对光学发射扫描器造成的损坏。
79.本技术提供的激光雷达装置采用微型集成化的光学发射扫描器，通过光源阵列、透镜阵列和光学束流阵列的组合，不依赖任何运动部件实现可寻址的光束空间扫描，在扩大激光雷达扫描范围的基础上提高了激光雷达的分辨率；将光学发射扫描器与振镜向结合，利用振镜的小幅度偏转达到激光雷达视野内全覆盖，运动机构运动范围显著减小，大大提高系统稳定性和使用寿命；按时序点亮光源模块，在降低光学发射扫描器的瞬时功耗的同时，避免了多个光源同时点亮时产生的大电流对光学发射扫描器造成的损坏，从而适应低功耗、小体积的探测场景需求。无需人工进行对准，适用于批量化生产，利于降低成本。
80.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及
实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。