一种分束模组及激光雷达发射装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学相控阵技术领域，具体而言，涉及一种分束模组及激光雷达发射装置。


背景技术：

2.现有的激光雷达发射装置可以是多线光学相控阵，具体可以包括：分束模块和发射模块。其中，在功率均分的情况下，当该分束模块将入射光均分成多条子路(如k条子路)之后，每一子路对应的光便会被均分为入射光的1/k份；而在每一子路通过各自所对应的发射模块，能够令该1/k份的入射光在远场的x方向和y方向分别生成m个光点和n个光点的情况下，例如，在多条子路分别经发射模块形成k个m
×
n的点云的情况下，会直接导致远场上得到的每一个光点其实只是入射光的1/(k
×m×
n)份，所投射出去的每个光点的光强十分有限，因此，传统激光雷达发射装置不适用于较远距离的探测。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种分束模组及激光雷达发射装置。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种分束模组，包括：多个分束器和多个功率控制器；所述分束器用于将射入所述分束器的一条光束线路划分为多条光束线路；多个所述分束器为多级分布，且多个所述分束器的光路呈多叉树结构；至少一级的所述分束器划分出的每条光束线路中均设有所述功率控制器；所述功率控制器用于控制所在光束线路的光的通断。
5.可选地，在最后一级的分束器划分出的每条光束线路中均设有所述功率控制器，所述最后一级的分束器为距离所述分束模组的入光侧最远的一级分束器。
6.可选地，在多级的所述分束器划分出的每条光束线路中均设有所述功率控制器的情况下，令除当前级的功率控制器之外的其他级的功率控制器为开启状态；所述当前级的功率控制器为当前需要被控的级中对应的功率控制器。
7.可选地，功率控制器包括半导体光放大器型光开关、电光效应马赫曾德干涉型光开关、热光效应马赫曾德干涉型光开关、微环型光开关或微机电系统光开关。
8.可选地，分束器包括多模干涉仪。
9.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种激光雷达发射装置，包括：任一所述的分束模组、相控阵发射模组和光源；所述光源设置于所述分束模组的入光侧，用于向所述分束模组发射初始光束；所述分束模组用于将所述初始光束划分成多条目标光束；所述相控阵发射模组设置在所述分束模组的出光侧，包括多个相控阵发射单元，所述多个相控阵发射单元与所述多条目标光束一一对应，所述相控阵发射单元用于将对应的目标光束转换成包含至少一个光点的形式，并投射至目标区域。
10.可选地，相控阵发射单元包括相移器以及发射器；所述相移器设置在所述分束模
11-第三级的分束器、12-功率控制器、1-12-第一级的功率控制器、21-相控阵发射单元、211-相移器、212-发射器。
具体实施方式
28.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。
29.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。
30.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。
31.本实用新型实施例提供了一种分束模组，参见图1所示，该分束模组包括：多个分束器11和多个功率控制器12；分束器11用于将射入分束器11的一条光束线路划分为多条光束线路；多个分束器11为多级分布，且多个分束器11的光路呈多叉树结构；至少一级的分束器11划分出的每条光束线路中均设有功率控制器12；功率控制器12用于控制所在光束线路的光的通断；图1中以该分束模组的左侧作为入光侧示出。
32.在本实用新型实施例提出的分束模组中，分束器11能够将射入其中的一条光束线路进行划分，该条光束线路在经过该分束器11之后，会被划分为多条光束线路，其中，分束器11对光束线路的划分可以是将该条光束线路的功率以等分的形式进行划分，也可以是将该条光束线路的功率按一定比例进行不等划分。在本实用新型实施例中，将多个分束器11通过分级排布的方式进行布局，每一级都对应有至少一个分束器11，当前级的分束器11用于将上一级的分束器11所分出的一条光束线路继续划分为多条光束线路，并将在当前级所分出的多条光束线路分别传输至下一级的分束器11，实现多级分束，最终能够将一条光束分为更多条的光束。其中，多个分束器11通过逐级划分光束线路的方式，可以使该分束模组中的光路呈现出多叉树或二叉树的结构，本分束模组中的分束器11为该多叉树结构或二叉树结构的节点。
33.例如，参见图1所示，该分束模组中可以包括7个能够把一条光束线路的功率进行二等分的分束器11，并以三级排布的方式设置。其中，当令第一级的分束器11(如设置于最靠近该分束模组入光侧的一级分束器11，即图1中最左侧的一级分束器11)的个数为1时，可以确定该分束模组的布局结构如图1所示，从左至右依次为：1个第一级的分束器11(图1中图标对应11)、2个第二级的分束器11(图1中图标对应2-11)、4个第三级的分束器11(图1中图标对应3-11)。在本实用新型实施例中，在令该第一级的分束器11作为当前级的分束器11
的情况下，该第一级的分束器11可以将射入其中的一条光束线路(如初始光束线路)划分为2条光束线路，并将所划分的2条光束线路分别射入相应的下一级的分束器11(第二级的分束器11)；之后，可以令该第一级的分束器11作为上一级的分束器11，并将该第一级的分束器11所对应的两个下一级的分束器11(第二级的分束器11)作为当前级的分束器11，该当前级的分束器11可以将射入其中的一条光束线路(如第一级的分束器11所划分的一条光束线路)划分为2条光束线路，即此时两个第二级的分束器11可以分别将一条光束线路各划分为两条光束线路，共得到所划分的四条光束线路，并将所划分的四条光束线路分别射入相对应的下一级的分束器11(第三级的分束器11)；最后，可以令每个第二级的分束器11作为上一级的分束器11，并将每个第二级的分束器11所对应的下一级的分束器11(第三级的分束器11)作为当前级的分束器11，每个当前级的分束器11可以将射入其中的一条光束线路(如第二级的分束器11所划分的一条光束线路)划分为2条光束线路，即此时四个第三级的分束器11可以分别将一条光束线路各划分为两条光束线路，共得到所划分的八条光束线路，并将所划分的八条光束线路分别射出，最终使该分束模组中所涉及的光路呈现出二叉树结构。
34.在本实用新型实施例所提出的分束模组中，功率控制器12是能够控制其所在光束线路为通路或断路的装置，可选地，功率控制器12可以包括半导体光放大器型光开关、电光效应马赫曾德干涉型光开关、热光效应马赫曾德干涉型光开关、微环型光开关或微机电系统光开关。本实用新型实施例中，可以根据该分束模组的工作频率，并通过计算各种光开关在加入该分束模组后将产生的插入损耗，以选择更适用于该分束模组的光开关作为功率控制器12。其中，该功率控制器12可以在至少一级的分束器11(如该分束模组中任意一级分束器11，或者任意多级分束器11)所分得的每条光束线路上各设置一个功率控制器12，以实现对该至少一级的分束器11所划分的每条光束线路中光的通断进行控制。
35.例如，参见图2所示(图2中以该分束模组的左侧作为入光侧示出)，可以仅在第一级的分束器11(图2中11所示分束器)所划分的两条光束线路上分别设置一个功率控制器12，即，该第一级的分束器11对应两个第一级的功率控制器12(图2中以1-12表示该第一级的功率控制器12)，基于这两个第一级的功率控制器12可以分别控制所在光束线路中光的通断，如控制该第一级的分束器11所传输的两条光束线路是否能够射入至下一级的分束器11(图2中2-11所示的第二级的分束器11)。或者，还可以如图1所示，在每一级的分束器11所划分的光束线路中分别设置一个功率控制器12，以通过每个功率控制器12来决定对应的光束线路是否导通。
36.由于本实用新型实施例可以在每级分束器11所划分的光束线路中根据实际需求设置相应的功率控制器12，使得可以通过不同的功率控制器12的控制，切断或连通光束线路传输的路径，进而可以控制初始光束的分束结果，实现对初始光束功率的合理分配，使采用该分束模组的激光雷达发射装置更适用于较远距离的探测。
37.可选地，参见图3所示，在最后一级的分束器11划分出的每条光束线路中均设有功率控制器12，最后一级的分束器11为距离分束模组的入光侧最远的一级分束器11；图3中以该分束模组的左侧作为入光侧示出。
38.其中，如图3所示，最后一级的分束器11是设置于距离该分束模组入光侧最远的一级分束器11，即图3中以图标3-11所示的最右侧的一级分束器11。本实用新型实施例可以仅
在该最后一级的分束器11所划分的多条光束线路中一一对应地设置功率控制器12，使得该最后一级的分束器11所发出的每条光束线路都对应一个功率控制器12，进而可以实现自由切换该分束模组最终所发出的每条光束线路的连通或者切断的目的。该分束模组所需要的功率控制器12较少，其整体结构较为简单；并且，可以实现控制每一条目标光束的发射与否。
39.可选地，在多级的分束器11划分出的每条光束线路中均设有功率控制器12的情况下，令除当前级的功率控制器12之外的其他级的功率控制器12为开启状态；当前级的功率控制器12为当前需要被控的级中对应的功率控制器。
40.在本实用新型实施例中，该分束模组为分别在多级分束器11所划分的光束线路中均设有功率控制器12的分束模组，若当前需要控制某级的分束器11所划分出的某条光束线路的通断，可以将该需要被控制是否导通的光束线路所对应的级作为当前级，并将该当前级中所设置的功率控制器12作为当前级的功率控制器12；相对于该当前级的功率控制器12而言，其他级的功率控制器12则表示该当前级以外的其他级的功率控制器。在这种情况下，可以令其他功率控制器12的状态始终保持为开启状态，即令其他功率控制器12所在的光束线路始终保持导通，这样便可通过控制数量较少的功率控制器12(如当前级的功率控制器12)，实现导通或切断数量较多的光束线路。
41.例如，如图1所示，在该分束模组为在每级的分束器11所划分的光束线路中均对应设置功率控制器12的分束模组的情况下，若需要对第二级的分束器11所划分的两条光束线路进行控制，如需要对位于图1中上方位置的第二级的分束器11所划分的两条光束线路中的功率控制器12进行控制，可以将该第二级作为当前级，将该第二级以外的第一级和第三级作为其他级；令除去该位于图1中第二级的分束器11所对应的四个功率控制器12以外的其他功率控制器12(如第一级的分束器11所对应的两个功率控制器12以及第三级的分束器11所对应的8个功率控制器12)默认保持开启状态，使得与该当前级的分束器所划分的光束线路相连接的光束线路始终保持导通；此时，只需控制任意该当前级的分束器11所对应的一个或多个功率控制器12，便可直接控制相应地最后一级的分束器11(如图1中图标为3-11的第三级的分束器11)所划分的光束线路的通断。该分束模组灵活且有效地利用了分束器11多级分布的特点，在某些实际操控环节可以具有操作简单的优势。
42.可选地，分束器11包括多模干涉仪。在本实用新型实施例中，将多模干涉仪用作分束器11可以确保一条光束线路在经过该分束器11之后，其功率可以被平均划分到多条光束线路中，且其同时具有插入损耗小、结构紧凑、制作容差性好、工艺简单及对偏振不敏感等优点。
43.本实用新型实施例还提供一种激光雷达发射装置，参见图4所示，包括：上述任一一种分束模组1、相控阵发射模组2和光源3；图4中以从左至右的传输方向表示光的传输方向。
44.如图4所示，光源3设置于分束模组1的入光侧，用于向分束模组1发射初始光束；分束模组1用于将初始光束划分成多条目标光束；相控阵发射模组2设置在分束模组1的出光侧，包括多个相控阵发射单元21，多个相控阵发射单元21与多条目标光束一一对应，相控阵发射单元21用于将对应的目标光束转换成包含至少一个光点的形式，并投射至目标区域。如图4所示，将1条初始光束最终划分为8条目标光束。
45.在本实用新型实施例所提供的激光雷达发射装置中，如图4所示，光源3设置在图4所示的激光雷达发射装置的最左侧，用于向与之对应设置的分束模组1发射初始光束，且该光源3所发射的初始光束可以为一条激光。可选地，该光源3为垂直腔体激光器，其中，垂直腔体激光器是一种半导体激光器，其所发射的激光垂直于集成电路的顶面射出，而采用垂直腔体激光器作为光源3与传统采用边发射激光器作为光源相比具有许多优势。例如，采用该垂直腔体激光器作为光源3时，出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度阵列的集成，能够实现更高功率输出，使得本实用新型实施例所使用的光源3出光效果更好。
46.在该激光雷达发射装置中，当光源3将一条初始光束发射至分束模组1之后，该分束模组1可以将该条初始光束通过分束器的逐级划分，在最后一级的分束器位置上划分得到最终用于射出该分束模组1的多条光束线路，即多条目标光束。其中，该分束模组1可以将多条目标光束射入至与该分束模组1相对设置的相控阵发射模组2，如图4所示该相控阵发射模组2设置在该分束模组1的右侧。本实用新型实施例中，相控阵发射模组2包括多个相控阵发射单元21，且每个相控阵发射单元21分别与每一条目标光束相对应，在目标光束射入与之相对的相控阵发射单元21之后，可以被转换为多种形式投射至目标区域，其中，目标区域可以是待扫描的区域；并且，在目标光束被相控阵发射单元21转换后所能得到的多种形式中，将目标光束转换为至少包括一个光点的形式，例如，在目标光束通过与之相对应的相控阵发射单元21之后，可以被该相控阵发射单元21转换为一个光点射向目标区域，使得在远场的目标区域上所投射的扫描激光是一个激光光点。
47.在本实用新型实施例中，可以通过设定该激光雷达发射模组中的分束模组1的分束结果，从而控制初始光束的功率分配，以改变最终射向目标区域的扫描激光的光强、扫描范围等。例如，参见图4所示，可以通过控制能将一条初始光束最终划分为八条目标光束的分束模组1中的功率控制器的开启或关闭，使每条目标光束的功率由原本应为初始光束功率的1/8倍大小，灵活地改变为更符合需求的扫描激光的功率大小，如通过控制该分束模组1中功率控制器，使该分束模组1只发射一条目标光束，当该目标光束射入该相控阵发射模组2中与之相应的相控阵发射单元21之后，可以在目标区域上以一个激光光点的形式投射并扫描，使所有的能量都集中于一点，进而使该激光光点所具有的功率大小几乎等同于初始光束的功率大小(如该点功率大于初始光束功率的92％)，该激光光点的光强有了极大提高，具备较远距离探测的能力，可以适用于扫描更远距离处的目标区域，该种情况对应的示意图可以参见图6所示。
48.可选地，参见图5所示，相控阵发射单元21包括相移器211以及发射器212；相移器211设置在分束模组1与发射器212之间，相移器211用于控制对应的目标光束的相位差，发射器212用于将调制后的目标光束转换成包含至少一个光点的形式，并投射至目标区域；图5中以分束模组1的右侧为出光侧示出。
49.在本实用新型实施例中，相控阵发射单元21所包含的相移器211和发射器212均设置在分束模组1的出光侧，如图5所示，由左至右依次为分束模组1、相移器211和发射器212。在分束模组1将目标光束射入相应的相控阵发射单元21后，该目标光束可以先经过相移器211，通过相移器211将该目标光束的相位差进行调制，之后将调制后的目标光束传输至该相控阵发射单元21中的发射器212中，最终由该发射器212将该调制后的目标光束以包括至少一个光点的形式投射至目标区域。可选地，该至少一个光点的形式可以包括：一排光点的
形式、一列光点的形式或者点阵的形式。
50.其中，每个相控阵发射单元21可以根据实际的扫描需求被设定为将目标光束以某种形式射向目标区域，并且，点亮不同的线路可以实现不同角度的扫描，从而覆盖整个目标区域。例如，在每个相控阵发射单元21可以分别将每条目标光束以一排光点或一列光点的形式投射至目标区域的情况下，通过调控分束模组1的分束结果，可以在目标区域上投射所需的光强较大的一排或一列激光光点，其中，该激光雷达发射模组在控制只发射一条目标光束的情况下的结果可以参见图7所示；而当每个相控阵发射单元21可以分别将每条目标光束以一个点阵的形式投射至目标区域的情况下，通过调控分束模组1的分束结果，如控制所有目标光束全部发射，可以在目标区域上投射所需的光强较为均匀且扫描范围较大的多个激光光点的阵列重叠生成的点云，该激光雷达发射模组在该种情况对应的示意图可以参见图8所示。
51.可选地，发射器212包括光栅耦合器、非均匀波导光栅、达曼光栅、超表面中的至少一种。
52.其中，该发射器212可以单独使用上述几种装置以实现将目标光束以某种形式投射至目标区域的功能，其也可以是将上述几种装置进行组合，多个装置共同作用实现其功能。例如，本实用新型实施例所提供的发射器212可以是光栅耦合器，若该激光雷达发射模组为8线发射的装置，如可以将一条初始光束划分为8条目标光束发射的装置，经一个发射器212射出的目标光束可以是在目标区域的横向上的一排(或一个)光点，若8条目标光束同时经对应的发射器212向目标区域进行投射，则在目标区域可以形成8*8的点云(或8个光点)；或者，本实用新型实施例所提供的发射器212也可以是由达曼光栅和非均匀波导光栅组合起来的装置，当该激光雷达发射模组为8线发射的装置时，目标光束经发射器212可以在目标区域投射出多个光点阵列，如在目标区域生成点云。具有发射器212的激光雷达发射模组可以根据实际的扫描需求进行设置，使得可以执行的扫描方案更加多元化。
53.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的技术方案，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。