激光雷达的制作方法

1.本发明涉及激光探测领域，尤其涉及一种通过滤光片提高信噪比的激光雷达。


背景技术：

2.随着无人车技术的兴起，激光雷达作为重要的探测部件越来越受到重视。激光雷达顾名思义，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。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对汽车、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
3.参考图1，示出了公开技术中一种激光雷达的光路图。所述激光雷达包括发射装置和接收装置。发射装置包括发光单元1，产生发射光脉冲，所述发射光脉冲入射到目标物s上反射并产生回波光束，最终所述回波光束被接收装置所接收，所述接收装置包括探测单元2，将光信号转换为电信号，通过准确地测量入射光脉冲从发射到被反射回的传播时间，再结合已知道的光速，传播时间即可被转换为对距离的测量。
4.激光雷达的发射端和接收端器件是影响其性能的重要部分。其中，在激光雷达发射端，因为半导体激光器(尤其是vcsel激光器)具有阈值电流低、发散角小、易调制、易集成等诸多优点，在现有激光雷达产品中得到了广泛的应用。
5.图2示出了图1中接收装置的放大图。激光雷达的接收装置还包括：透镜4，用于会聚回波光束，位于透镜4和探测单元之间的滤光片3，用于过滤所述回波光束，使波长在滤光片中心波长附近的光可以通过，而其他波长的光无法通过。
6.由于信号的收发涉及到发射和接收两端，因此，除了发射端，接收端的设置也会影响到激光雷达的性能。而在接收端的滤光片对于激光雷达接收信号光的强弱也起着十分重要的作用。
7.滤光片的特点在于，波长在滤光片中心波长附近的光可以通过，而其他波长的光无法通过。因此在设计激光雷达时，会考虑发射端激光器的输出波长与接收端滤光片中心波长与带宽相匹配，这样既可以过滤掉大量的环境光噪声，提高接收端的信噪比，也可以通过足够的反射光，达到光探测元件的响应阈值，提高探测效果。然而当前存在着以下的问题。
8.首先，相比于固体激光器或气体激光器，当前广泛应用的半导体激光器的一个显著特点是其输出波长具有较明显的温漂特性，如典型的vcsel激光器温漂系数为0.06nm/k，而其工作温度一般为-40℃～125℃，激光器的输出波长因为温度的变化可能会有12nm甚至更多的漂移，一旦漂移到滤光片中心波长及带宽外，就会降低激光通过率。结合参考图3，示出了滤光片t型滤光曲线。横坐标为波长，纵坐标为透过率。激光器的中心波长容易受到温度的影响，一般会随温度的变化而有所波动，如图3中，虚线a为低温时激光器的激光光谱，b虚线为高温时激光器的激光光谱。可以看到，低温时的中心波长约在930nm左右，而高温时的中心波长则已经大于950nm，中心波长漂移超过20nm，显然，温度的影响对滤光片中心波
长的影响较大。对于高精度的激光雷达而言，在设计时需要考虑到极限工作温度的情况。
9.其次，随着激光雷达性能要求的提高，在发射端一般采用多线激光器，比如64线、128线，甚至将来256线，在接收端也会采用一一对应的光探测元件。尽管每个半导体激光器在设计时选用的中心波长是一样的，比如884nm，但因为半导体激光器自身材料或者加工工艺的原因，每个激光器实际发出的激光波长彼此会存在偏差，比如在20℃工作温度下，1号激光器在发出的激光波长为879nm，而同时10号激光器发出的激光波长为889nm，1号激光器和10号激光器发出的激光波长都在激光器允许的误差范围内，但是它们的波长差异达到了10nm。
10.最后，还要考虑滤光片在不同入射角下的蓝移特性。实际上，现有激光雷达接收端，为了使探测元件接收到更多的反射光，会使用一个微透镜将大面积的光汇聚在小面积的光探测元件上(如sipm)，这样就会使得反射光经过滤光片时不是垂直入射的，而是存在一个入射角θ，如图2所示。随着入射角θ的增加，滤光片的滤波t型曲线会产生蓝移(波长变小)，如图4所示。如图4所示，透镜4将大面积的光汇聚在小面积的光探测元件2上，回波光束经过滤光片3时不是垂直入射的，而是存在一个入射角θ。再参考图4，随着入射角θ的增加，滤光片的滤波t型曲线会产生蓝移(波长变小)，具体地，垂直入射时曲线为c，而入射角15度入射时t型曲线移动至曲线d的位置，曲线d位于曲线c波长变小的方向上。
11.在设计接收端器件参数时如没有考虑入射角，或者在对滤光片选型时没有考虑入射角带来的蓝移影响，也可能使得滤光片阻隔激光器发出的部分光。由于微透镜的汇聚作用，越靠近外延的光线照射在滤光片上时，其入射角越大，入射角较大的光线无法有效透过滤光片，由于高透过率的透过区通常只占了滤光片极小一部分区域，因而会使得光探测元件无法探测到足够的光信号，降低了探测质量和精度。
12.而现有技术中，一般仅简单采用带宽比较宽的滤光片统一去覆盖极限工作温度下激光器的波长，这样导致光探测元件接收到比较多的环境光噪声，信噪比比较低。


技术实现要素：

13.本发明解决的问题是提供一种激光雷达，以提高信噪比。
14.本发明技术方案提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：发射装置，包括多个发光单元，用于提供多束发射光束，所述发射光束经由目标物形成回波光束；所述多个发光单元分别具有相应的中心波长和波长漂移因子；接收装置，包括滤光片和探测单元；所述探测单元位于所述滤光片的下游光路上，用于探测所述滤光片过滤后的回波光束；所述滤光片，用于过滤所述回波光束；所述滤光片与至少一个发光单元相对应；所述滤光片的属性参数通过：相对应发光单元的中心波长、波长漂移因子，以及所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定。
15.可选地，所述滤光片的属性参数包括滤光片的带宽；所述滤光片的带宽通过所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定。
16.可选地，所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息包括：探测单元能探测到的最大入射角信息；或者，探测单元对应的入光孔径以及所述滤光片与探测单元的距离信息。
17.可选地，所述接收装置还包括：光学组件，位于所述滤光片的上游光路，用于会聚所述回波光束；所述光学组件、光学组件和滤光片的间距以及滤光片的尺寸用于确定所述
接收装置最大入射角。
18.可选地，所述滤光片具有入射角与波长偏移对应关系；基于所述对应关系，所述最大入射角信息对应一波长减小量；所述滤光片的带宽通过所述波长减小量确定。
19.可选地，所述接收装置包括多个滤光片，与所述发光单元一一对应。
20.可选地，所述滤光片的属性参数包括波长漂移系数和带宽；所述滤光片的波长漂移系数与对应发光单元波长漂移因子的差异产生带宽补偿量；所述滤光片的带宽通过所述带宽补偿量确定。
21.可选地，所述滤光片的波长漂移系数为基于温度产生的波长漂移系数；所述发光单元的波长漂移因子为基于温度产生的波长漂移因子。
22.可选地，所述发射装置包括：多个发光芯片，位于同一发光芯片的多个发光单元形成于一衬底上；与同一发光芯片的发光单元相对应的接收装置配置相同的滤光片。
23.可选地，所述发射装置上多个发光单元发射光束中心波长的差异为2～3nm；所述接收装置上滤光片的带宽为6～9nm。
24.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
25.本发明实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达的滤光片与至少一个发光单元相对应，且所述滤光片的属性参数通过：相对应发光单元的中心波长、波长漂移因子，以及所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定。根据发光单元的中心波长以及波长漂移因子确定滤光片，可以针对发光单元提供带宽相匹配的滤光片，一方面能使发光单元发出的光容易通过，另一方面，还能减少环境光噪声，降低信噪比。此外，所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定滤光片的带宽，可以结合考虑蓝移现象对滤光片的影响，使滤光片的带宽能覆盖波长减小的范围，从而在即使发生蓝移时，也能使大部分发光单元对应波长的光透过，以优化探测性能；本发明实施例通过结合多种因素，配置与发光单元相对应的滤光片，优化了激光雷达的性能。
附图说明
26.图1是公开技术中一种激光雷达的光路图；
27.图2是图1中接收装置的放大图；
28.图3是公开技术一种滤光片的t型滤光曲线；
29.图4是公开技术一种滤光片随入射角变化的t型滤光曲线；
30.图5是本发明一实施例激光雷达的俯视图；
31.图6是图5所示接收装置的侧面示意图；
32.图7是滤光片的温漂系数大于激光器温漂系数的波长透过率示意图；
33.图8是滤光片的温漂系数小于激光器温漂系数的波长透过率示意图；
34.图9是图6所示接收装置的距离示意图；
35.图10是图5所示滤光片的带宽示意图；
36.图11是本发明另一实施例激光雷达的俯视图。
具体实施方式
37.下面结合附图分析激光雷达的信噪比较低的原因。
38.从前述对于现有技术的分析可知，公开的技术中，接收通常采用一片滤光片，在能保证探测元件能够实现探测时，通常会设置带宽较宽的滤光片，这容易造成信噪比较大的问题。
39.以常见的滤光片设计为例，通常雷达产品中以透过率90％为分界线，对于透过率不低于90％的滤光片即认为为合格。因此经过微透镜折射后的光照射在滤光片上会存在分区，而高于90％的透过区只占了滤光片一部分区域，会使得光探测元件无法探测到足够的光信号，降低了探测质量和精度。
40.为了解决所述技术问题，本发明实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达的滤光片与至少一个发光单元相对应，且所述滤光片的属性参数通过：相对应发光单元的中心波长、波长漂移因子，以及所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定。根据发光单元的中心波长以及波长漂移因子确定滤光片，可以针对发光单元提供带宽相匹配的滤光片，一方面能使发光单元发出的光容易通过，另一方面，还能减少环境光噪声，降低信噪比。此外，所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息确定滤光片的带宽，可以结合考虑蓝移现象对滤光片的影响，使滤光片的带宽能覆盖波长减小的范围，从而在即使发生蓝移时，也能使大部分发光单元对应波长的光透过，以优化探测性能。本发明实施例通过结合多种因素，配置与发光单元相对应的滤光片，优化了激光雷达的性能。
41.结合参考图5，示出了本发明实施例激光雷达中发射装置和接收装置的示意图。所述激光雷达包括：
42.发射装置100，包括多个发光单元101，用于提供多束发射光束，所述发射光束经由目标物形成回波光束；所述多个发光单元101分别具有相应的中心波长和波长漂移因子。
43.本实施例中，所述发光单元101发出的发射光束中心波长为适合激光雷达工作的任一波长。例如，905nm，884nm，1550nm等。
44.具体地，发射装置可以采用边缘发射激光器(edge emitting laser，eel)或者所述发光单元101为垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)。
45.优选地，所述发射装置100包括多个发光单元101。更优选地，所述发射装置100的采用面阵式排布的多个发光单元101。例如，如图5所示，所述多个发光单元101可呈两列排布。
46.面阵激光系统上每一发光单元101，均具有各自相对应的中心波长；也均具有相对应的波长漂移因子。波长漂移因子包括各种可能导致中心波长漂移的影响因子，例如，温度，使用时长等影响因子。
47.优选地，发光单元的波长漂移因子至少包括用于表征温度对中心波长影响的温漂系数。
48.其中，温漂系数k
l
用于指示发光单元101的中心波长λ
l
在不同温度下的漂移情况。通常来说，中心波长λ
l
随着温度的升高而增大，随温度的降低而减小。并且，发光单元101在特定温度下的中心波长λ
l
及其温漂系数k
l
均可测。
49.根据本发明的一个优选实施例，可根据中心波长λ
l
和或温漂系数k
l
对所述发射装置100中的多个发光单元101进行分类,以根据分类来获得相应的滤光片203。
50.优选地，可先根据中心波长λ
l
进行一次分类后，再对一次分类下的各个发光单元
101根据其温漂系数k
l
进行二次分类,以根据各个发光单元101的二次分类获得与其更加精确对应的滤光片203。
51.在发射装置100所属的激光雷达的接收侧，还包括接收装置200。该接收装置200中包括多个探测单元201，每个探测单元与至少一个发射单元1010相对应。其中，每个探测单元前设置有滤光片203。
52.结合参考图6，示出了图5所示接收装置200的侧面示意图。所述接收装置200，包括滤光片203和探测单元201。
53.所述滤光片203，用于过滤所述回波光束，使透过发光单元中心波长的光，且阻挡环境光，从而减小噪声影响、提高探测效果。
54.优选地，在根据本方案的激光雷达的接收装置200中，各个滤光片203与至少一个发光单元101相对应，且该滤光片203的属性参数通过以下信息来确定：
55.1)相对应发光单元101的中心波长；
56.2)相对应发光单元101的波长漂移因子，以及
57.3)所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息。
58.如前所述，发光单元101可根据中心波长和/或波长漂移因子进行分类。因此，滤光片203可根据自身对应的一个或多个发光单元101的分类信息，结合自身相对于探测单元201的光学空间信息，来确定该滤光片203所需满足的属性参数，以更加精确的覆盖来自该一个或多个发光单元101的信号光的波长。
59.其中，滤光片与所述探测单元的光学空间信息包括：
60.1)探测单元能探测到的最大入射角信息；或者，
61.2)探测单元对应的入光孔径以及所述滤光片与探测单元的距离信息。
62.其中，所述滤光片203的属性参数包括但不限于以下任一项：
63.1)滤光片的带宽；其中，此处带宽指的是以预设波长为中心，基于预定透光率确定的滤光片的波长范围。例如，以905nm为中心波长，
64.90％透过率为预定透光率来确定滤光片的波长范围，则所对应的滤光片最优可透过的波长为905nm，随着入射光的波长远离该中心波长
65.(波长越来越小，或者越来越大)时，该入射光在滤光片上的透过率逐渐降低。假定入射光的透过率降低到90％左右时对应的波长范围为[900,910]，则可以认为，该滤光片的带宽为10nm。
[0066]
2)波长漂移系数；其中，波长漂移系数用于表征了滤光片在不同情况下的中心波长的漂移。优选地，此处所述滤光片203的波长漂移系数为基于温度产生的波长漂移系数。更优选地，本说明书中定义波长漂移系数为滤光片203的温漂系数kf。
[0067]
本方案实施例优点在于，通过结合多种因素，配置与发光单元相对应的滤光片，使所述滤光片203的带宽覆盖所述发光单元的中心波长且能覆盖发光单元的波长偏差，更有针对性的进行光波过滤，并且根据本方案选择的滤光片的带宽的余量较小，不会让过多噪音透过该滤光片，从而可以提高信噪比。即通过设计与发光单元相匹配的滤光片，可以实现激光雷达的精细化配置，优化激光雷达的性能。
[0068]
具体地，考虑到发射装置100上多个发光单元101的差异，滤光片203的带宽要能覆盖其对应的至少一个发光单元101的中心波长。
[0069]
其中，发射装置100所包含的多个发光单元101可能具有不同的中心波长。并且，各个发光单元的温漂系数可能不同。
[0070]
更优选地，基于同一衬底形成的发光单元101的中心波长更为接近，差异较小；而不同衬底上形成发光单元101的中心波长相对差异较大。
[0071]
根据本方案的一个实施例，发射装置100中包含的多个发光单元101可位于多个芯片上，且每个芯片上包括一个或多个发光单元。可以测得，同一芯片上的发光单元101发射光束中心波长差异较小，在2～3nm的范围内；而不同芯片上的发光单元101发射光束中心波长差异较大，大于3nm的范围。
[0072]
因此，当采用中心波长来对发光单元进行分类时，以每差异3nm为间隔，将位于同一芯片上的发光单元分为一组，并在接收端设置与该组发光单元对应的同一类型的第一滤光片203；而将另一芯片上的发光单元分为另一组，在接收端设置与该组发光单元对应的另一中心波长的第二滤光片203。
[0073]
根据本方案的又一实施例，在设置滤光片时还结合考虑发光单元的波长漂移因子，以及滤光片本身的波长漂移系数。
[0074]
其中，考虑滤光片203的波长漂移系数与对应发光单元101的波长漂移因子的差异，可将两者差异量作为滤光片需要覆盖的带宽补偿量。亦即此时，所述滤光片的带宽不仅需要考虑前述发光单元的中心波长，还需要结合所述带宽补偿量确定。
[0075]
需要说明的是，此处所述滤光片203的波长漂移系数为基于温度产生的波长漂移系数。定义波长漂移系数为滤光片203的温漂系数kf。
[0076]
参考图7，示意了滤光片的温漂系数大于激光器温漂系数的波长透过率示意图。曲线示意的是滤光片的透过率，柱状示意的是激光器的中心波长。在20℃时，滤光片的带宽覆盖激光器的中心波长，而由于滤光片的温漂系数kf较大(kf＞k
l
)，在高温125℃，所述滤光片的波长增大量较大，激光器的波长偏差相对较小，相应的，在低温-40℃，滤光片的波长减小量大于激光器的波长减小量。为了在高温和低温时，滤光片的带宽还能覆盖所述激光器中心波长，所述滤光片的带宽相对于激光器的中心波长还在波长减小方向设置第一带宽补偿量d1，且在波长增大方向设置第二带宽补偿量d2。
[0077]
参考图8，示意了滤光片的温漂系数小于激光器温漂系数的波长透过率示意图。同样的，所述滤光片的带宽相对于激光器的中心波长还在波长减小方向设置第一带宽补偿量e1，且在波长增大方向设置第二带宽补偿量e2，以结合滤光片和激光器的波长漂移因子差异确定所述滤光片203的属性参数。
[0078]
滤光片203的温漂系数通常是由其材料决定，实际应用中，通过测量滤光片203和发光单元101的温漂系数，并基于两者的差异获得所述带宽补偿量，进而选定滤光片203的带宽。
[0079]
作为本方案的又一个优选实施例，所述滤光片203的带宽还可通过所述滤光片与所述探测单元201的光学空间信息确定。优选地，此处所述光学空间信息为接收装置200可接收到的回波光束的最大入射角β。
[0080]
考虑入射角不同带来的波长蓝移问题，所述滤光片具有入射角与波长偏移对应关系，由于入射角不同波长蓝移程度不同，入射角越大波长减小量越大。在对滤光片203的带宽进行配置时，为了使滤光片203的带宽能够覆盖所有蓝移造成的波长偏移量，以所述最大
入射角β为基准进行配置。基于所述对应关系，所述最大入射角β信息对应一波长减小量；所述滤光片203的带宽通过所述波长减小量确定。
[0081]
需要说明的是，对于接收装置而言，探测单元对应的入光孔径以及在滤光片和探测单元的距离信息确定时，所述最大入射角β可以确定。因此，所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息包括：探测单元201对应的入光孔径以及所述滤光片与探测单元201的距离信息。
[0082]
结合参考图9，示出了图6所示接收装置的距离示意图。光学组件205，位于所述滤光片203的上游光路，用于会聚所述回波光束。本实施例中，光学组件205位透镜，光学组件205的直径表示为d、光学组件205到滤光片203的垂直距离表示为h，滤光片203的滤光直径表示为d。相应的，最大入射角可基于如下公式确定：
[0083]
β＝arctan(d-d)/2h，即β与参数d、d和h均相关。
[0084]
因而，对于激光雷达而言，由于接收装置200的透镜205的尺寸、滤光片203的尺寸，以及两者的相对位置关系都是保持不变的，因此最大入射角β是固定的，可基于β对应的波长蓝移，对滤光片203的带宽进行补偿。
[0085]
需要说明的是，此处以光学组件透镜203的直径d作为探测单元201对应的入光孔径，其他实施例中，还可以结合接收装置的结构组成，判断探测单元201对应的入光孔径。
[0086]
此处的滤光片与探测单元201的距离信息指的是光学组件205到滤光片203的垂直距离表示为之间的距离h，还可以采用其他的方式表示所述距离信息。
[0087]
参考图10，是图5所示滤光片的带宽示意图。所述带宽通过：相对应发光单元的中心波长(图10中激光器的带宽)、波长漂移因子(温漂)，以及所述滤光片与所述探测单元的光学空间信息(蓝移)确定。
[0088]
例如，考虑激光器发射光束中心波长差异为2～3nm，滤光片经过配置带宽为2～3nm；考虑激光器与滤光片的温漂系数差异补偿，滤光片的带宽为4～5nm；再考虑滤光片蓝移补偿，滤光片的带宽配置为6～9nm。
[0089]
这样，与至少发光单元101相对应的滤光片203属性参数得到确定。通过这一滤光片203对回波光束进行滤波，一方面能保证发光单元对应的波长范围能透过的，另一方面，因为是针对发光单元101相关的特征配置的，可以减小带宽，从而降低环境光的噪声影响，提高信噪比。
[0090]
所述探测单元201位于所述滤光片203的下游光路上，用于探测所述滤光片203过滤后的回波光束。
[0091]
经过配置好的滤光片203对回波光进行过滤，所述探测单元201具有良好的探测效果。
[0092]
本实施例中，接收装置上的探测单元201与所述发光单元101一一对应，用于探测对应发光单元101的出射光束。如图5所示探测单元201也为两列阵列式排布。
[0093]
具体地，所述探测单元201为单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，spad)。
[0094]
继续参考图5，所述接收装置200包括多个滤光片203，与所述发光单元101一一对应。在其他实施例中，滤光片和发光单元还可以是一对多的对应关系。即，一片滤光片对应于多个所述发光单元，用于对多个发光单元的出射光形成的回波光束进行过滤。
[0095]
需要说明的是，如图11所示的其他实施例中，所述发射装置包括：多个发光芯片300，位于同一发光芯片300的多个发光单元形成于一衬底上；位于同一衬底上的发光单元的性能较为接近，相应地，与同一发光芯片的发光单元相对应的接收装置400配置相同的滤光片。这样可以减小配置滤光片的难度，提高激光雷达装配效率。实际应用中，可结合考虑装配难度和信噪比的要求，设置与发光单元对应的滤光片。
[0096]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。