一种收发一体式的光路结构、激光雷达和光学系统的制作方法

一种收发一体式的光路结构、激光雷达和光学系统
【技术领域】
1.本实用新型涉及激光雷达领域，更具体地涉及一种收发一体式的光路结构、激光雷达和光学系统。


背景技术：

2.激光雷达是进行环境目标感知的重要设备之一，在很多领域存在广泛的应用。近距离的激光雷达主要应用在机器人导航、工业监控等场景，中远距离的激光雷达主要应用在自动驾驶、堆料监测等场景，远距离的激光雷达主要应用在地理信息测绘、智慧城市地图建设等场景。现在的激光雷达普遍采用发射光源和接收探测器分开布局的设计，这就要求两套激光雷达，分别是发射和接收激光雷达。两套激光雷达要求光学元件较多，尤其是当发射和接收激光雷达共光轴的时候，对调试和装配的工艺要求会有更高的要求。
3.随着各行业对激光雷达需求水平的进一步提高，激光雷达的技术指标也在一直改进和优化。但目前的改进基本都集中在发射和激光雷达的改进，或者将机械光束扫描元件替换成无机械运动部件的固态扫描方式，但上述改进和优化只会进一步增加激光雷达的复杂度，当应用在对成本要求比较高的场景中，上述改进和优化会存在较大的应用障碍。如果对发射光源和接收探测器部分也进行改进，则有望进一步减少激光雷达的系统复杂度，降低对应的原材料和组装成本，提高激光雷达的工业应用性价比。
4.传统的激光雷达，光路一般分为同轴模式及收发分离的非同轴模式两种。但不论同轴模式还是收发分离的非同轴模式，两者之间光路上的稳定性没有差别，发射光路或者接收光路有很小的改变，就会极大的影响信号光的探测接收。因此一般的激光雷达系统每次测量前都要进行光路的调节，将光路调节至最佳状态再开始工作。即使这样，测量时间较长的情况下回波强度也会发生比较明显的减弱，需要不时的进行光路的调节来保证测量。
5.而收发一体系统就很好的解决了光路稳定性的问题。因为收发光路是一体的，即使出现微小的变动，发射同接收光路向一个趋势同时改变，也不会影响回波信号的接收。在光源光束不变的情况下回波信号的聚焦位置也基本不会发生变化。因此，收发一体激光雷达系统相较传统光路的激光雷达系统，光路稳定性有本质性的提高，调节完成后再次测量基本不需要调节。
6.公告号为cn104155639a，公告日为2014年11月19日的专利申请公开了一种收发一体激光雷达装置，该收发一体激光雷达装置中偏振激光器发出的光经扩束后经锥透镜和锥透镜由偏振分束器反射，再经四分之一波片后通过凹透镜进入卡塞格林望远镜平行发射进入大气；回波经卡塞格林望远镜、凹透镜再经四分之一波片，经偏振分束器后由接收透镜送至光电探测器；该专利提供的收发一体激光雷达装置的系统复杂度较高，增加了调节的难度，光路稳定性较低，偏差较大，且对应的原材料和组装成本也较高，导致性价比不高，不利于在市场上进行大规模应用。
7.鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本实用新型需要解决的技术问题是，目前对激光雷达的改进基本都集中在发射和激光雷达的改进，或者将机械光束扫描元件替换成无机械运动部件的固态扫描方式，但上述改进和优化只会进一步增加激光雷达的复杂度，当应用在对成本要求比较高的场景中，上述改进和优化会存在较大的应用障碍。
9.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
10.第一方面，本实用新型提供了一种收发一体式的光路结构，所述收发一体式的光路结构包括激光器发射芯片1、安装柱2、apd光敏面3和apd焊盘4，具体的：
11.所述apd光敏面3上设有电路部分，所述电路部分包括细导线地极导线5和细导线正极导线6；所述细导线地极导线5与所述安装柱2相连，所述安装柱2与所述激光器发射芯片1的负极相连；所述细导线正极导线6与所述激光器发射芯片1的正极相连；通过所述电路部分对所述激光器发射芯片1进行电流驱动，使所述激光器发射芯片1发射激光探测光信号；
12.所述激光器发射芯片1设在所述安装柱2的指定面上，所述安装柱2固定于所述apd光敏面3的中心位置处；
13.所述apd光敏面3用于将接收到的光信号转化为电信号；所述apd焊盘4用于将所述电信号通过外部控制电路导出；所述apd焊盘4和所述apd光敏面3通过导线相连；
14.所述apd焊盘4的地极设置在所述apd焊盘4的底部，所述apd焊盘4的地极通过所述apd焊盘4的底部与所述外部控制电路的地极相连，所述apd焊盘4的正极通过打线与所述外部控制电路的正极相连。
15.优选的，所述收发一体式的光路结构还包括隔离装置7，所述隔离装置7用于将所述激光器发射芯片1和所述apd光敏面3隔离开。
16.优选的，所述激光器发射芯片1的正极通过金丝键合的方式与所述细导线正极导线6相连。
17.优选的，在所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6与所述apd光敏面3相对的面上分别设有绝缘介质层，或者，在所述apd光敏面3与所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6相对应的位置分别设有绝缘介质层。
18.优选的，所述激光器发射芯片1设在所述安装柱2的指定面上，具体的：
19.所述激光器发射芯片1通过焊接或导电胶水粘接的方式固定在所述安装柱2的指定面上，实现所述激光器发射芯片1与所述安装柱2之间的电连接；
20.所述安装柱2的指定面为所述安装柱2与所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6相对的面。
21.优选的，所述隔离装置7采用金属材质。
22.优选的，在所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6与所述隔离装置7相对的面上分别设有绝缘介质层，或者，在所述隔离装置7的底部设有绝缘介质层。
23.第二方面，本实用新型提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括上述的收发一体式的光路结构，所述激光雷达还包括滤光片8和透镜9，具体的：
24.所述激光雷达设置在所述透镜9的前焦面上，所述滤光片8设置在所述激光雷达和所述透镜9之间，所述激光雷达、所述滤光片8和所述透镜9的中心在同一水平线上；
25.所述滤光片8包括透光部81和挡光部82，所述透光部81和所述挡光部82的中心与所述滤光片8的中心一致；
26.所述透光部81用于使所述激光器发射芯片1发射的光全部通过；
27.所述挡光部82的厚度使接收光通过所述挡光部82后的聚焦点正好落在所述apd光敏面3上；
28.所述透镜9用于对所述激光器发射芯片1发射的光进行准直，实现准直发射激光。
29.优选的，所述透光部81用于使所述激光器发射芯片1发射的光全部通过，具体的：
30.所述透光部81的通过波长和所述激光器发射芯片1的发射波长一致，用于滤除环境中的其他干扰波长。
31.第三方面，将至少两个所述激光雷达组装在旋转平台上，实现多线扫描探测功能。
32.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
33.本实用新型改变了传统的激光雷达，提供了一种收发一体式的光路结构，该收发一体式的光路结构通过将发射光源和接收探测器封装在一起，从而减少整体的尺寸，优化结构布局；使用该收发一体式的光路结构的激光雷达使用的激光雷达元件的数量减少，从而减少激光雷达装配的工艺精度要求，提高激光雷达产品的性能一致性，提高封装调试的效率，降低整体的成本。
【附图说明】
34.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
35.图1为本实用新型实施例提供的一种收发一体式的光路结构的正面结构示意图；
36.图2为本实用新型实施例提供的一种收发一体式的光路结构的侧面结构示意图；
37.图3为本实用新型实施例提供的一种具有隔离装置的收发一体式的光路结构的正面结构示意图；
38.图4为本实用新型实施例提供的一种具有隔离装置的收发一体式的光路结构的侧面结构示意图；
39.图5为本实用新型实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；
40.图6为本实用新型实施例提供的一种激光雷达的滤光片的结构示意图；
41.图7为本实用新型实施例提供的一种光学系统的结构示意图；
42.图8为本实用新型实施例提供的一种光学系统的另一种结构示意图；
43.图中：1、激光器发射芯片；2、安装柱；3、apd光敏面；4、apd焊盘；5、细导线地极导线；6、细导线正极导线；7、隔离装置；8、滤光片；81、透光部；82、挡光部；9、透镜。
【具体实施方式】
44.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本
实用新型，并不用于限定本实用新型。
45.在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。
46.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就结合附图和实施例来详细说明本实用新型。
47.实施例1:
48.本实用新型提供了一种收发一体式的光路结构，如图1所示，所述收发一体式的光路结构包括激光器发射芯片1、安装柱2、apd光敏面3和apd焊盘4，具体的：
49.所述apd光敏面3上设有电路部分，所述电路部分包括细导线地极导线5和细导线正极导线6；所述细导线地极导线5与所述安装柱2相连，所述安装柱2与所述激光器发射芯片1的负极相连；所述细导线正极导线6与所述激光器发射芯片1的正极相连；通过所述电路部分对所述激光器发射芯片1进行电流驱动，使所述激光器发射芯片1发射激光探测光信号。
50.所述收发一体式的光路结构的侧面结构如图2所示，所述激光器发射芯片1设在所述安装柱2的指定面上，所述安装柱2固定于所述apd光敏面3的中心位置处。
51.所述apd光敏面3用于将接收到的光信号转化为电信号；所述apd焊盘4用于将所述电信号通过外部控制电路导出；所述apd焊盘4和所述apd光敏面3通过导线相连。
52.所述apd焊盘4的地极设置在所述apd焊盘4的底部，所述apd焊盘4的地极通过所述apd焊盘4的底部与所述外部控制电路的地极相连，所述apd焊盘4的正极通过打线与所述外部控制电路的正极相连。
53.其中，apd为雪崩光电二极管(avalanche photo diode，apd)的简称。
54.所述外部控制电路包含多对正极和地极，其中一对正极和地极通过所述细导线正极导线6和所述细导线地极导线5与所述激光器发射芯片1的正极和负极相连，用于控制所述激光器发射芯片1发射激光探测光信号；具体的，所述细导线正极导线6的一端与外部控制电路的正极相连，细导线正极导线6的另一端与激光器发射芯片1的正极相连；细导线地极导线5的一端与安装柱2相连，安装柱2与激光器发射芯片1的负极相连，细导线地极导线5的另一端与外部控制电路的地极相连。
55.所述外部控制电路的另一对正极和负极与apd焊盘4的正极和地极相连，用于将反射回来的光信号经所述apd光敏面3转化为电信号后进行导出；具体的，apd焊盘4的正极通过打线与外部控制电路的正极相连，apd焊盘4的地极设在所述apd焊盘4的底部，apd焊盘4的地极通过所述apd焊盘4的底部与外部控制电路的地极相连。所述apd光敏面3用于将接收所述激光器发射芯片1发射的光信号打到物体后反射回来的光信号转化为电信号，所述apd焊盘4用于将所述电信号通过外部控制电路导出。
56.即所述外部控制电路既可以用于控制激光器发射芯片1发射激光探测光信号，还可以用于将接收到的光信号导出。
57.所述打线也叫压焊、绑定、键合或丝焊，是指使用金属丝，如金线、铝线等，利用热压或超声能源，完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框
架之间的连接。
58.在本实用新型实施例中，如图3所示，所述收发一体式的光路结构还包括隔离装置7，所述隔离装置7用于将所述激光器发射芯片1和所述apd光敏面3隔离开，避免激光器发射芯片1的边缘绕射效应对apd光敏面3产生干扰。
59.在本实用新型实施例中，所述激光器发射芯片1的正极通过金丝键合的方式与所述细导线正极导线6相连。
60.在本实用新型实施例中，在所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6与所述apd光敏面3相对的面上分别设有绝缘介质层，或者，在所述apd光敏面3与所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6相对应的位置分别设有绝缘介质层，用于将所述电路部分与所述apd光敏面3进行绝缘处理。
61.在本实用新型实施例中，具有隔离装置7的收发一体式的光路结构的侧面结构如图4所示，所述激光器发射芯片1设在所述安装柱2的指定面上，具体的：
62.所述激光器发射芯片1的负极通过焊接或导电胶水粘接的方式固定在所述安装柱2的指定面上，实现所述激光器发射芯片1的负极与所述安装柱2之间的电连接。
63.所述安装柱2的指定面为所述安装柱2与所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6相对的面。
64.在本实用新型实施例中，为了达到更好的隔离效果，所述隔离装置7采用金属材质，且优先采用电导率更高的导体金属材质。
65.在本实用新型实施例中，由于所述隔离装置7安装在所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6之上，为了避免所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6之间短路，对激光器发射芯片1造成损坏，需要在所述细导线地极导线5和所述细导线正极导线6的上表面，也就是与所述隔离装置7底部相对的位置，预先溅射或喷镀绝缘介质层；或者，需要在所述隔离装置7的底部预先溅射或喷镀绝缘介质层。
66.在本实用新型实施例中，所述安装柱2采用金属材质，用于连接所述细导线地极导线5和所述激光器发射芯片1的负极；为了避免与所述细导线地极导线5相连的所述安装柱2对所述apd光敏面3的电连接性能产生影响，在所述安装柱2的底面预先溅射或喷镀绝缘介质层。
67.实施例2:
68.本实用新型提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括上述的收发一体式的光路结构，如图5所示，所述激光雷达还包括滤光片8和透镜9，具体的：
69.所述激光雷达设置在所述透镜9的前焦面上，所述滤光片8设置在所述激光雷达和所述透镜9之间，所述激光雷达、所述滤光片8和所述透镜9的中心在同一水平线上。
70.如图6所示，所述滤光片8包括透光部81和挡光部82，所述透光部81和所述挡光部82的中心与所述滤光片8的中心一致；所述滤光片8可以是圆环形也可以是方环形，只要满足所述激光器发射芯片1发射出的光能全部通过所述滤光片8即可。
71.由于所述激光器发射芯片1的发光部分和所述apd光敏面3不在同一竖直平面上，所述apd光敏面3相对于所述激光器发射芯片1的发光部分更靠后，为保证所述激光雷达的聚焦探测的效果，且不能影响所述透镜9对所述激光器发射芯片1的发射光的准直效果，所述滤光片8的透光部81使所述激光器发射芯片1发射的光全部通过；所述挡光部82的厚度使
接收光通过所述挡光部82后的聚焦点正好落在所述apd光敏面3上，达到较好的探测效果；所述接受光是指向目标传输探测的光经目标反射后回到所述透镜9上的光。
72.所述透镜9用于对所述激光器发射芯片1发射的光进行准直，实现准直发射激光。
73.具体的，所述激光器发射芯片1发射出的探测光信号通过自由空间向前传输，具有隔离装置7的激光雷达可以通过隔离装置7吸收极少部分的边缘绕射的光信号，绝大部分能量通过自由空间继续向前传输，经透镜9准直之后，向目标传输探测。
74.在本实用新型实施例中，所述透光部81用于使所述激光器发射芯片1发射的光全部通过，具体的：
75.所述透光部81的通过波长和所述激光器发射芯片1的发射波长一致，用于滤除环境中的其他干扰波长。
76.实施例3:
77.本实用新型提供了一种光学系统，所述光学系统包括上述的激光雷达，在所述光学系统中，将至少两个所述激光雷达组装在旋转平台上，实现多线扫描探测功能；所述激光雷达易加工制作成一个独立的探测模块，并根据实际需求进行对应的组装，且对模块之间的组装对位指标没有过高的要求，非常灵活。
78.如图7所示，将激光雷达安装成一列，实现同方向的多线扫描探测功能，可以根据实际需求选择不同数量的所述激光雷达进行组装；或者，如图8所示，将激光雷达组装在旋转平台上，实现360
°
全方位的扫描探测功能，且不需要增加另外的扫描结构，具有更加优异的稳定性。
79.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，对应均应包含在本实用新型的保护范围之内。