一种高速极窄脉冲激光驱动装置及应用

技术领域

本发明涉及激光器驱动技术领域，尤其涉及一种高频极窄脉冲激光投射及接收系统。

背景技术

近年来，随着量子信息科学的兴起以及超灵敏光谱学的发展，单光子探测器技术在其中扮演着越来越重要的作用。光子探测的核心器件，单光子雪崩二极管又称SPAD，因为其雪崩增益大，响应速度快，探测效率高，质量轻，体积小，功耗低等优势，可以集成SPAD阵列探测器，获取时间和空间信息，在3D成像，光探测领域得到广泛应用。

激光作为20世纪出现的技术，经过几十年的发展，已经在军工、制造、医疗、汽车等领域得到了广泛的应用。如公开号为CN102709801B和CN105680314A的专利申请文件描述的激光器，纳秒激光是激光的一种，其输出的光是脉冲光，光脉冲的持续时间在纳秒级别。纳秒激光可以用于激光测距、激光雷达、激光打标、激光制导、激光手术刀等。

纳秒脉冲激光和单光子探测技术的结合，近几年在3D成像，物体建模，AR，VR等领域上有所应用。如何得到稳定的更窄的脉冲激光，同时结合高速的光子计数技术，是3D成像方案中需要解决的一个问题。它可从光子层面进行探测，并能以纳秒速度运行，为增强现实及更广泛的领域开启无尽可能。

发明内容

为了实现得到稳定的脉冲激光，同时使得脉冲的脉宽可控，结合高速单光子探测计数技术，本发明提出一种高速窄脉宽激光驱动装置，具体技术方案如下：

一种高速极窄脉冲激光驱动装置，具有与投射模块依次连接的脉冲产生电路和功率放大电路；

所述脉冲产生电路包括：

信号处理模块，用于根据接收的触发信号产生两路具有时延t且相位相反的脉冲信号；

整形电路，分别对两路脉冲信号进行整形；

差分信号比较器，用于对整形后的两路脉冲信号进行与门处理，得到宽度为t的脉冲信号；

所述功率放大电路用于对脉冲产生电路输出的脉冲信号进行放大，并驱动投射模块发出激光光束。

作为优选的，所述两路脉冲信号的脉冲宽度为10～50纳秒，两路信号的幅值、频率、脉宽相同，相位相反。

作为优选的，第二路脉冲信号是在第一路脉冲信号的t延时后发出，其中t为任意可编程的延时。

作为优选的，所述功率放大电路包括：

信号转换器，将脉冲产生电路输出的脉冲信号转换为COMS信号；

功率放大驱动电路，将所述的COMS信号放大后驱动投射模块发出激光光束。

根据上述的高速极窄脉冲激光驱动装置，本发明还公开一种高频极窄脉冲激光投射及接收系统，可用于3D成像测距。

一种高频极窄脉冲激光投射及接收系统，包括投射模块和接收模块，设有与所述接收模块连接的控制电路，用于发出触发信号；具有与投射模块依次连接的脉冲产生电路和功率放大电路；

所述脉冲产生电路包括：

信号处理模块，用于根据接收的触发信号产生两路具有时延t且相位相反的脉冲信号；

整形电路，分别对两路脉冲信号进行整形；

差分信号比较器，用于对整形后的两路脉冲信号进行与门处理，得到宽度为t的脉冲信号；

所述功率放大电路用于对脉冲产生电路输出的脉冲信号进行放大，并驱动投射模块发出激光光束。

作为优选的，所述两路脉冲信号的脉冲宽度为10～50纳秒，两路信号的幅值、频率、脉宽相同，相位相反。

作为优选的，第二路脉冲信号是在第一路脉冲信号的t延时后发出，其中t为任意可编程的延时。

作为优选的，所述功率放大电路包括：

信号转换器，将脉冲产生电路输出的脉冲信号转换为COMS信号；

功率放大驱动电路，将所述的COMS信号放大后驱动投射模块发出激光光束。

作为优选的，所述投射模块具体包括：激光发射器件，激光供电电路和GaN Gate高速开关；GaN Gate高速开关与激光发射器件为电路串联，配合激光供电电路共同构成激光光源的工作回路，GaN Gate高速开关根据功率放大电路输出的放大信号，控制激光发射器件产生出射光束。

作为优选的，所述接收模块具体包括：接收镜头，滤光片和接收芯片；所述接收芯片采用单光子雪崩二极管SPAD阵列芯片。

附图说明

图1为本发明中一种用于SPAD阵列成像的高速极窄脉宽激光驱动系统示意图；

图2为本发明实施例中的极窄脉冲产生电路示意图；

图3为本发明实施例中的极窄脉冲产生电路工作驱动时序示意图；

图4为本发明实施例中的功率放大电路示意图；

图5为本发明实施例中的激光投射模块示意图；

图6为本发明实施例中的接收模块示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，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发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种高频极窄脉冲激光投射及接收系统，可用于3D成像测距，包括：脉冲产生电路10，功率放大电路20，投射模块30和接收模块40。

接收模块40首先发出触发信号100，经过控制电路传输给脉冲产生电路10，生成系统所需的差分信号400，再经过功率放大电路20，产生具备一定驱动能力的放大信号402，进而驱动投射器模块30工作，发出出射光束500，经过前方目标物体表面反射后，形成反射光束501，被接收模块40采集并形成反馈信号600，根据该反馈信号，系统可以进行3D成像测距。

如图2所示，是基于本实施例的脉冲产生电路10的详细框架图，主要包含信号处理模块1010、整形电路1020、整形电路1030、信号差分比较器1040。接收模块40生成的触发信号100在经过信号处理模块1010后，会产生两路等脉宽的反向差分信号，即是如图3所示的第一路脉冲信号200、第二路脉冲信号300，两路信号之间具有时延t，例如在A时刻产生了第一路脉冲信号200，紧接着在A+t时刻产生相位相反的第二路脉冲信号300。两路脉冲信号再分别经过整形电路1020和整形电路1030，其作用是减少脉冲信号的上升和下降时间，使信号更为规整，以便减少后续电路产生的次波振荡、杂波干扰等。经过整形后，两路信号到达差分信号比较器1040，对两路信号进行与门处理，最终得到宽度为t的信号400，如图3所示。

其中，第一路脉冲信号200、第二路脉冲300的脉冲宽度可以是几十纳秒级别，本实施例优选使用10～50纳秒，两路信号的幅值、频率、脉宽相同，相位相反。第二路脉冲信号300是在第一路脉冲信号200的t延时后发出，其中t为任意可编程的延时，例如500皮秒、1纳秒、2纳秒。因此最终得到的信号400是脉宽可编程控制的，根据系统需要进行设置，具有相当的灵活性。

如图4所示，上述功率放大电路20具体包括：信号转换器2010，功率放大驱动电路2020。信号400经过信号转换器2010转换成COMS信号401，作用是方便后续放大电路的进一步放大。COMS信号401再经过功率放大驱动电路2020得到放大信号402，该信号相比信号400，其频率、脉宽t等参数不变，但驱动能力增强，可以用来驱动后续的GaN Gate高速开关电路。

如图5所示，投射模块30具体包括：激光发射器件3010，激光供电电路3020和GaNGate高速开关3030。

激光发射器件3010的光源可以是面阵激光，如垂直腔面激光发射器vcsel，也可以是单点激光，如边发射激光器EEL，发射波长可以根据应用场景的需要来选择。优选的本实施例采用垂直腔面激光发射器vcsel，发射光波长为940nm。

GaN Gate高速开关3030与激光发射器件3010为电路串联，配合激光供电电路3020共同构成激光光源的工作回路，其中GaN Gate高速开关3030的开关直接决定工作回路的导通与关闭，从而使得激光光源实现周期性的发光与关闭。

GaN Gate高速开关3030相较于常用的硅基MOSFET，有高速度、高效率和更高功率密度的优势。GaN固有的较低栅极和输出电容支持以兆赫兹级的开关频率运行，同时降低栅极和开关损耗，从而提高电能利用效率。不同于硅基MOSFET，GaN器件不需要体二极管，因而消除了反向恢复损耗，并进一步提高了效率，减少了开关节点的振铃干扰。

当放大信号402到达GaN Gate高速开关3030时，在脉冲的脉宽有效时间t内，GaNGate高速开关3030是导通的状态，此时在激光供电电路3020的作用下，激光发射器件3010产生特定的出射光束500，发光的持续时间为脉宽有效时间t，因此出射光束500也与放大信号402具有相同的脉冲波形特性。放大信号402经过t时间后，进入低电平状态，GaN Gate高速开关3030因缺少放大信号402的驱动，也转为关闭状态，激光光源的工作回路处于断开状态，所以激光发射器件3010进入关闭状态，发光停止，完成一个激光的工作周期。

由以上电路工作过程可知，脉冲产生电路10通过控制第一路脉冲信号200和第二路脉冲信号300之间的相对延时t，最终实现了对图5中激光发射器件3010的发射光脉冲的脉宽控制。

如图6所示，接收模块40具体包括：接收镜头4010，滤光片4020，接收芯片4030。接收镜头4010是匹配激光发射器的波长和视场角而设计的镜头，目前市场上已经很成熟，在此不作详述。滤光片4020的作用是滤除环境光对接收芯片4030的干扰影响，使得接收芯片尽可能的只接收从激光发射器发出，再经物体折返回来的光信号。接收芯片4030采用单光子雪崩二极管SPAD阵列芯片，对弱光具有很强的探测能力，灵敏度高。

综上，脉冲产生电路10和功率放大电路20共同构成了高速极窄脉冲激光的驱动部分，再配合投射模块30和接收模块40组成了一套基于SPAD阵列的发射和接收系统，可用于3D成像测距。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。