激光雷达发射系统的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达发射系统。


背景技术：

2.激光雷达(lidar，laser detecting and ranging)，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。通常，激光雷达包括发射系统、接收系统、信息处理系统和扫描系统。其中，激光雷达发射系统包括多组折射透镜组成的光学系统和光源。
3.现有技术通过微振镜(mems，micro-electro-mechanical system)代替传统扫描机构，从而减小激光雷达的体积和重量，实现激光雷达的小型化和轻量化。
4.然而，通过缩小扫描机构实现激光雷达小型化和轻量化的方法已经陷入瓶颈，因此亟需一种体积更小、重量更轻的激光雷达。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中激光雷达小型化和轻量化陷入瓶颈的技术问题，本技术实施例提供了一种激光雷达发射系统。该激光雷达发射系统包括第一透镜、第二透镜和光源；
6.其中，所述第一透镜包括多个阵列的子透镜；
7.所述光源包括多个阵列的子光源；
8.所述第一透镜和所述第二透镜同轴，并且依次设置于所述光源的发光侧；
9.所述子超透镜和所述子光源呈映射关系。
10.可选地，所述子透镜为超透镜或微透镜阵列。
11.可选地，所述子透镜和所述子光源为一对一映射。
12.可选地，所述激光雷达发射系统的工作距与等效焦距的比值小于或等于0.1。
13.可选地，所述激光雷达发射系统的系统总长与等效焦距的比值小于或等于0.1。
14.可选地，所述激光雷达发射系统的工作距小于或等于8mm。
15.可选地，所述激光雷达发射系统的系统总长小于或等于10倍工作距。
16.可选地，所述激光雷达发射系统至少满足：
17.d＝2h f
mla
tan(θ)≤p；
18.其中，θ为所述子光源的半发散角；f
mla
为所述子透镜的焦距；d为所述子透镜的口径；2h为所述子光源的直径；p为相邻子光源之间的间距。
19.可选地，所述激光雷达发射系统至少满足：
[0020][0021]
其中，2θn为经过所述子透镜准直后的第二光线的发散角；f
mla
为所述子透镜的焦距；h为所述子光源的半径。
[0022]
可选地，所述第二透镜为单片超透镜。
[0023]
可选地，第二透镜为镜组；所述镜组包括至少两片透镜。
[0024]
可选地第二透镜包括两片超透镜；或者，两片折射透镜。
[0025]
可选地，第二透镜包括一片超透镜和一片折射透镜。
[0026]
本技术实施例提供的激光雷达发射系统，至少取得了以下有益效果：
[0027]
本技术实施例提供的激光雷达发射系统通过光源中阵列的子光源与第一透镜中的子透镜形成映射，对子光源进行了精确调制，并且通过第一透镜和第二透镜包括至少一片超透镜压缩了激光雷达发射系统的系统总长和工作距。该激光雷达发射系统还通过第一透镜和第二透镜提高了出射光线的准直度，从而使经过该激光雷达发射系统的出射光线的发散角小于0.3
°
。本技术实施例通过采用子透镜阵列和第二透镜，使激光雷达发射系统的系统总长与等效焦距的比值小于0.5；工作距与等效焦距的比值小于0.1；同时满足了小系统总长、小工作距和高准直度；从而促进了激光雷达发射系统的小型化和轻量化。本技术实施例提供的激光雷达发射系统具有重量轻、体积小、结构简单、成本低的优点。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
[0029]
图1示出了本技术实施例所提供的激光雷达发射系统的一种可选的结构示意图；
[0030]
图2示出了本技术实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选的结构示意图；
[0031]
图3示出了本技术实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选的结构示意图；
[0032]
图4示出了本技术实施例所提供的激光雷达发射系统的又一种可选的结构示意图；
[0033]
图5示出了本技术实施例所提供的子透镜和子光源一种映射的示意图；
[0034]
图6示出了本技术实施例所提供的纳米结构的一种可选结构示意图；
[0035]
图7示出了本技术实施例所提供的纳米结构的又一种可选结构示意图；
[0036]
图8示出了本技术实施例所提供的超结构单元的一种可选结构示意图；
[0037]
图9示出了本技术实施例所提供的超结构单元的又一种可选结构示意图；
[0038]
图10示出了本技术实施例所提供的超结构单元的又一种可选结构示意图；
[0039]
图11示出了本技术实施例所提供的一种可选的纳米结构的透过率与相位调制关系图。
[0040]
图中附图标记分别表示：
[0041]
100-第一透镜；200-第二透镜；300-第三透镜；400-第四透镜；
[0042]
300-光源。
具体实施方式
[0043]
为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的首选实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容更加透彻全面。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
[0044]
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0045]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
[0046]“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
[0047]
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
[0048]
随着激光雷达在消费级电子和汽车电子产业中的落地使用，其小型化、轻量化成为一个亟需解决的问题。尤其是现有的激光雷达，其体积和重量依然难以满足在无人机等领域上的应用需求。本技术通过压缩激光雷达发射系统的体积和重量，更具体地，通过压缩激光雷达发射系统中光学系统的体积和重量以进一步实现激光雷达的小型化和轻量化。
[0049]
为了减小激光雷达的体积，需要尽可能地抑制激光雷达发射系统的系统总长(ttl，total track length)。激光雷达接收系统的系统总长指的是沿入射方向，接收系统中透镜的第一片光学元件的中心到焦平面中心的距离。因此，透镜厚度越小、透镜数量越少以及透镜的焦距越短，则系统总长越小。
[0050]
激光雷达发射系统的工作距(wd，working distance)是指沿出射方向，光源发光面到发射系统中第一个透镜表面的距离。除了减少透镜数量、减小透镜厚度以及缩短透镜之间的间距之外，还可以通过减小工作距来减少激光雷达发射系统的体积。需要说明的是，工作距越小，越有利于激光雷达发射系统的集成。
[0051]
出射光线的准直度是评价激光雷达发射系统光学性能的重要指标之一。通过减小系统总长和工作距来压缩激光雷达发射系统的体积，需要以保证其光学性能为前提。现有的激光雷达发射系统，一般由至少四组折射透镜构成，此类结构很难同时满足小系统总长、小工作距且具有高准直度的要求。
[0052]
因此，亟需一种同时满足小系统总长、小工作距且准直度高的激光雷达发射系统。
[0053]
图1至图4示出了本技术实施例所提供的一种激光雷达发射系统。如图1至图4所示，该激光雷达发射系统包括第一透镜100、第二透镜200和光源300。其中，第一透镜100包括多个阵列的子透镜101。光源300包括多个阵列的子光源301。第一透镜100和第二透镜200
同轴，并且依次设置于光源300的发光侧。子超透镜101和子光源301呈映射关系。光源300发出的光线依次经过第一透镜100和第二透镜200后，发散角小于0.3
°
。
[0054]
根据本技术的实施方式，子透镜101可以是超透镜也可以是微透镜阵列(mla，micro lens array)。微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。它和传统透镜一样，最小功能单元也可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等，同样能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能，而且因为单元尺寸小、集成度高，使得它能构成许多新型的光学系统，完成传统光学元件无法完成的功能。可选地，子光源301为激光光源，例如垂直外腔面发射激光器(vecsel，vertical external surface emission laser)。
[0055]
根据本技术的实施方式，子光源301和子透镜101的映射关系可以为一对多映射，即一个子透镜101对应多个子光源301。应理解，该映射关系还可以是多对一映射，即一个子光源301对应多个子透镜101。优选地，如图5所示，该映射关系为一对一映射，即一个子透镜101只负责调制一个子光源301发出的光线。需要说明的是，多对多映射也是可行的，即多个子透镜101对应调制多个子光源301发出的光。本技术实施例仅以一对一映射的结构进行举例说明。
[0056]
具体而言，该激光雷达发射系统的工作距(wd)与等效焦距(efl，effective focal length)的比值小于等于0.1，即wd/fl≤0.1。该激光雷达发射系统的系统总长(ttl)与等效焦距(efl，effective focal length)的比值小于等于0.5，即ttl/efl≤0.5。第一透镜100和第二透镜200同光轴依次设置在光源300的发光侧。优选地，该激光雷达发射系统的工作距小于或等于8mm。更优选地，该激光雷达发射系统的系统总长小于或等于10倍工作距。
[0057]
如图5所示，每一个子光源301发出的第一光线经过其对应的子超透镜101的调制后形成第二光线射出。如图1至图4所示，第二光线经过第二透镜200的调制或折射后形成第三光线射出。第一光线的发散角，即子光源301的发散角为2θ；第二光线的发散角，即子透镜101的发散角为2θn；第三光线的发散角为2θ
out
。
[0058]
在一种可选的实施方式中，为保证光源300发出的光在第一透镜100上不出现重叠，则本技术实施例提供的激光雷达发射系统满足如下公式(1)：
[0059]
d＝2h f
mla
tan(θ)≤p
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0060]
公式(1)中，θ为子光源301的半发散角；f
mla
为子透镜101的焦距；d为子透镜101的口径；2h为子光源301的直径；p为相邻子光源301之间的间距。当子光源301垂直于光轴的截面不为圆形时，子光源301的直径指其外接圆的直径。
[0061]
进一步地，根据本技术的实施方式，可选地，为了使第一透镜100对光源300发出的光进行准直，该激光雷达发射系统满足如下公式(2)：
[0062][0063]
公式(2)中，2θn为经过子透镜101准直后的第二光线的发散角；f
mla
为子透镜101的焦距；h为子光源301的半径。
[0064]
根据本技术的实施方式，更有利地，第二透镜200位于第一透镜100的焦平面上，以使经过第一透镜101调制的第二光线尽可能多地射入第二透镜200。第二透镜200优选单片超透镜，但当单片超透镜的光焦度不能满足需求时，还可以增加透镜数量形成镜组，以使第二透镜200的光学性能满足激光雷达发射系统的需求。
[0065]
本技术的一些实施方式中，如图1所示，第二透镜200为单片超透镜。发散角为2θn的第二光线，经过第二透镜200表面上周期性排列的纳米结构调制后，形成发散角为2θ
out
的第三光线。第三光线为本技术实施例提供的激光雷达发射系统的出射光线。
[0066]
本技术的又一些实施方式中，如图2所示，第二透镜200为单片折射透镜。发散角为2θn的第二光线，经过第二透镜200折射后，形成发散角为2θ
out
的第三光线。第三光线为本技术实施例提供的激光雷达发射系统的出射光线。
[0067]
本技术的又一些实施方式中，如图3和图4所示，第二透镜200为镜组，该镜组包括至少两片同轴设置的透镜。示例性地，如图3所示，第二透镜200包括两片超透镜；或者，第二透镜200包括一片超透镜和一片折射透镜；再或者，第二透镜200包括两片折射透镜。
[0068]
需要说明的是，上述任一实施例中提到的一片折射透镜，可以是单独的一片折射透镜，但实际应用中，一片折射透镜可以由多个不同曲率的透镜组合而成。
[0069]
接下来，对本技术实施例中所采用的超透镜进行说明。超透镜为超表面的一种具体应用，超透镜的表面具有周期性排列的纳米结构，纳米结构的特征尺寸为亚波长尺寸。特征尺寸包括纳米结构的直径、周长和高度等尺寸。亚波长尺寸是指小于或等于入射波长，或者在一些情况下可以略大于入射波长的尺寸。超透镜通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。
[0070]
图6和图7示出了本技术实施例提供的激光雷达发射系统所采用的超透镜的一个纳米结构的透视图。可选地，超透镜上各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本技术的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。如图6所示，纳米结构可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。如图7所示，纳米结构可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
[0071]
根据本技术的实施方式，超透镜包括基板和设置在基板上的微结构层，如图8至图10所示，其中微结构层包括布置成阵列的超结构单元。
[0072]
如图8所示，根据本技术的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图9所示，根据本技术的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图10所示，根据本技术的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本技术的范围内。
[0073]
根据本技术的实施方式，超结构单元可以具有纳米结构。如图8至图10所示，根据本技术的实施方式，每个微结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有纳米结构。根据本技术的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。可选地，本技术实施例中超透镜的工作波段为激光雷达的常用波段，包括近红外波段，例如850nm、905nm、940nm和1550nm等波段。根据本技术的实施方式，纳米结构在近红外光波段具有高透射率。根据本技术的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。
[0074]
本技术实施例所提供的一种可选的纳米结构的透过率与相位调制关系如图11所示。图11示出了，1200nm高的硅纳米结构在周期为600nm的正四边形排列下的透过率与相位调制关系图。
[0075]
实施例1
[0076]
示例性地，本技术实施例提供了一种激光雷达发射系统，如图1所示，该系统包括第一透镜100、第二透镜200和光源300。其中，第一透镜100包括多个子透镜101，子透镜101为超透镜。透镜200包括两片超透镜。光源300包括多个阵列排布的子光源301。该激光雷达发射系统的关键参数如表1所示，工作波段为1550nm。
[0077]
表1
[0078]
子光源直径1μm相邻子光源间距20μm子光源半发散角(θ)10
°
子透镜焦距(f
mla
)54μm经第一透镜后发散角(θn)0.53
°
后续系统总长度(ttl)8.5mm后续系统工作距(wd)0.5mm准直后发散角(2θ
out
)0.2
°
[0079]
由表1所示，200μm的光源300经该实施例提供的激光雷达发射系统中第一透镜100和第二透镜200准直后，出射光线的发散角2θ
out
小于0.2
°
，满足扫描式激光雷达发射系统的要求。表1中后续系统总长是指从第一透镜100的入射面到第二透镜200的出射面的距离。表1中后续系统工作距是指从第一透镜100的入射面到第二透镜200的入射面的距离。
[0080]
实施例2
[0081]
示例性地，本技术实施例提供了一种激光雷达发射系统，如图4所示，该激光雷达发射系统包括第一透镜100、第二透镜200和光源300。其中，第一透镜100包括多个子透镜101，子透镜101为超透镜。透镜200包括一片超透镜和一片折射透镜。光源300包括多个阵列排布的子光源301。该激光雷达发射系统的关键参数如表2所示，工作波段为1550nm。
[0082]
表2
[0083][0084][0085]
由表2所示，200μm的光源300经该实施例提供的激光雷达发射系统中第一透镜100和第二透镜200准直后，出射光线的发散角2θ
out
小于0.15
°
，满足扫描式激光雷达发射系统的要求。
[0086]
需要说明的是，由于光路是可逆的，本技术实施例提供的激光雷达发射系统中包
括至少一个超透镜的光学系统可用于激光雷达接收系统。
[0087]
本技术实施例提供的激光雷达发射系统所采用的超透镜可以由半导体工艺加工实现量产。半导体工艺可以降低超透镜的成本，提高超透镜的量产一致性。
[0088]
综上所述，本技术实施例提供的激光雷达发射系统通过光源中阵列的子光源与第一透镜中的子透镜形成映射，并且通过第一透镜和第二透镜包括至少一片超透镜压缩了激光雷达发射系统的系统总长和工作距。该激光雷达发射系统还通过第一透镜和第二透镜提高了出射光线的准直度，从而使经过该激光雷达发射系统的出射光线的发散角小于0.3
°
。本技术实施例通过采用子透镜阵列和第二透镜，使激光雷达发射系统的系统总长与等效焦距的比值小于0.5；工作距与等效焦距的比值小于0.1；同时满足了小系统总长、小工作距和高准直度；从而促进了激光雷达发射系统的小型化和轻量化。本技术实施例提供的激光雷达发射系统具有重量轻、体积小、结构简单、成本低的优点。
[0089]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例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技术实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。