激光发射模块及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种激光雷达的激光发射模块。

背景技术

在自动驾驶领域中，自动驾驶车辆可以借助激光雷达（LIDAR）等设备来探测周围物体。激光雷达通过向周围三维空间发射激光束作为探测信号，并使激光束照射到周围空间中的物体后被反射而成为回波信号并返回，激光雷达将接收的回波信号与发射的探测信号进行比较，从而获得关于周围物体的诸如距离、速度等相关信息。

激光雷达为了如上所述地发射激光束，需要利用驱动电路驱动激光光源。目前通用的激光光源窄脉冲驱动电路均采用能量压缩原理实现。参照图1，电路工作原理如下：脉冲开关信号控制开关器件的关断与导通，当脉冲开关信号关断时，开关器件关断，外部电源向储能电容充电，储能电容两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容两端的电压即与外部电源电压相等，储能电容将电能以电荷的形式储存于内部，当脉冲开关信号导通时，驱动器瞬间提升脉冲开关信号的驱动能力并快速开启开关器件，储能电容通过与激光器组成的回路瞬间放电，产生窄脉冲电流作用于激光器，激光器发出窄脉冲激光。

在现有技术中， 驱动器和开关器件由两个分立器件构成，驱动器负责将脉冲信号转化为高压大电流驱动信号，开关器件负责控制激光器的开启和关断。

现有技术因为驱动器和开关器件分立，第一：两个分立器件之间会产生一些寄生电感、寄生电容，会影响激光器的窄脉冲控制能力； 第二：通过分立器件搭建驱动系统，在多通道如16通道激光器驱动设计中，需要大量的分立器件，造成的驱动系统的体积和容量偏大。

因此，需要提供一种能够解决上述问题的驱动电路及激光发射模块。

发明内容

本发明提供一种有利于小型化的激光发射模块及具有此的激光雷达。

根据本发明的一实施例的激光发射模块包括：基板，表面形成有电路图案；激光器阵列，设置于基板，结合有多个能够发出激光的激光器；驱动芯片，设置于基板，包括多个功率开关管，其中，激光器具有第一电极和第二电极，多个激光器的第一电极一体地形成于激光器阵列的上表面，多个激光器的第二电极分别形成于激光器阵列的下表面，激光器的第二电极固定于基板，多个激光器的第二电极分别通过基板的电路图案电连接于驱动芯片的功率开关管。

并且，电路图案的一端可以连接于驱动芯片，另一端连接于激光器的第二电极。

并且，第一电极可以为阴极，第二电极为阳极。

并且，第一电极可以通过金属线电连接于驱动芯片或基板。

并且，驱动芯片还可以包括译码器、多个电平转换器、多个驱动器，译码器基于接收到的信号向多个电平转换器中的一个输出控制信号，电平转换器将接收的控制信号放大而使输出的放大信号具有更高的电压，驱动器基于接收到的放大信号而开启功率开关管。

并且，驱动芯片还可以包括：锁存器，位于电平转换器和驱动器之间，接收从电平转换器发出的放大信号后输出到驱动器。

并且，译码器可以被供应第一电压，电平转换器、锁存器以及驱动器被供应第二电压，功率开关管被供应第三电压，第三电压的电压值大于第二电压的电压值，第二电压的电压值大于第一电压的电压值。

并且，功率开关管可以为长条形状，多个功率开关管沿长条形状的宽度方向排列。

并且，激光器阵列的多个激光器可以布置为线阵形态。

根据本发明的另一实施例的激光发射模块可以包括如上所述的激光发射模块以及具有能够感测光的传感器的激光接收模块。

根据本发明，可以通过设置一个驱动芯片而实现译码器、电平转换器、锁存器、驱动器和功率开关管的单芯片集成，可以大大减小目前常用方案的面积、寄生效应。并且，可以通过根据本发明的一实施例的驱动芯片及激光器阵列的连接简化激光发射模块的制造工艺，从而可以为激光雷达的小型化、高效率提供可行的方案。

附图说明

图1是示出根据现有技术的激光器的驱动电路的示意图。

图2是示出根据本发明的一实施例的多通道激光器的驱动芯片的示意图。

图3是示出根据本发明的一实施例的激光发射模块的侧视图。

图4是示出根据本发明的一实施例的激光雷达的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的描述。显然，以下公开的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

图2是示出根据本发明的一实施例的多通道激光器的驱动芯片的示意图。在图2所示的结构中，虚线方框内的电路元件可以集成于一个驱动芯片中。

参照图2，根据本发明的一实施例的多通道激光器的驱动芯片可以集成有译码器、多个电平转换器、多个锁存器、多个驱动器以及多个功率开关管。

所述译码器可以根据从芯片外部输入的使能信号输出相应的控制信号。例如，使能信号可以包括4位或其他位数的地址信息。例如，当上述地址信息为4位时，0000地址对应E0路激光器，0001地址对应E1路激光器，以此类推。当使能信号包括4位的地址信息时，译码器所产生的控制信号E0-E15可以控制16个激光器，因此可以称为4-16译码器。所述4-16译码器可以电连接于16个电平转换器，并且从所述4-16译码器发出的控制信号可以传输到多个电平转换器中的一个电平转换器。

进一步地，上述的4-16译码器可以被供应低压电源，例如可以供应5V电源。所述译码器可以采用CMOS器件设计。

从所述译码器发出的控制信号E0-E15可以为低压信号，并且可以为0-5V的低压信号。

控制信号E0-E15可以分别输入到对应的电平转换器。所述电平转换器可以将从所述译码器发出的控制信号转化为中压信号。例如，可以转化为0-18V的中压信号。所述电平转换器可以采用公知的电压转换装置。

所述电平转换器的输出端可以电连接于锁存器。因此，在所述电平转换器转换成中压的信号可以经过锁存器。所述锁存器可以使在电平转换器转化的中压信号更稳定。

所述锁存器的输出端可以电连接于驱动器，并且从所述锁存器输出的信号可以经过驱动器。驱动器可以瞬间提升输入信号的驱动能力。例如，所述驱动器可以提高输入的脉冲信号的电压而使其大于功率开关管的开启电压。

其中，上述的电平转换器、锁存器及驱动器可以均被供应中压电压。例如，可以被供应18V电源。

所述驱动器的输出端可以电连接于功率开关管，因此从上述驱动器输出的信号可以用于控制功率开关管。例如，所述驱动器发出的信号的长度可以决定使所述功率开关管导通（开启）的时长。

在结构方面，功率开关管（开关三极管；Switch transistor）可以为MOS管，或者可以为一长宽比比较大的功率MOS管，具有比较小的导通电阻。现有的功率开关管为了制造成本以及满足性能条件，采用正方形的功率开关管。但是如果将多个正方形的功率开关管集成于一个驱动芯片，则由于沿横向并排布置多个正方形功率开关管所占的横向长度过大可能导致驱动芯片在横向上的长度过长；或者，若采用将功率开关管多排布置的方法，则可能导致驱动芯片内部的电路结构变得复杂。根据本发明的一实施例，将功率开关管形成为长方形形状，并使多个长方形功率开关管的长边彼此相邻地排列，可以防止驱动芯片在某一方向上的长度过大。并且，所述长方形的功率开关管的整体面积优选不小于长方形的功率开光管的面积。功率开关管的性能与面积有关，优选不因形成为长方形而减少功率开关管的面积。或者，所述功率开关管的形状可以不是准确的长方形形状，可以是宽度小于长度的长条形状，多个功率开关管可以沿所述长条形状的宽度方向排列。

进一步地，所述驱动器的输出端可以电连接于上述MOS管的栅极，功率开关管的源极或漏极可以与高压电源（例如，50V）连接，功率开关管的源极和漏极中的另一个可以电连接于激光器的正极或负极。当所述功率开关管导通时，激光器可以在高压电源的作用下发光。所述驱动器发出的信号与所述高压电源确定激光器所发出的探测信号的能量。从所述功率开关管发出的信号可以直接驱动多通道激光器中的一个激光器。对于每一个激光器，可以通过控制该激光器对应的功率开关管的导通时间，来控制该激光器发出探测信号的时间。

如上所述，电平转换器、锁存器、驱动器及功率开关管可以依次电连接而构成单个激光器的控制电路。根据本申请的一个实施例，在激光雷达驱动用芯片可以集成有16个如上所述的控制电路。并且，译码器可以根据接收的包括用于指示电平转换器的选择的地址信息的使能信号而控制如上所述的多个控制电路。每个所述控制电路可以与多通道激光器中的单个激光器一一对应。从而，可以通过如上所述的激光雷达用驱动芯片分别驱动多通道激光器。

根据本发明，所述电平转换器、锁存器、驱动器及功率开关管的数量可以与多路激光器中的激光器的数量相同。并且，各所述器件与各个发光器一一对应地电连接。所述译码器的数量可以为1个，也可以为多个译码器分步或者并列进行译码步骤。

综上所述，可以通过设置一个如上所述的激光雷达用驱动芯片而实现译码器、电平转换器、锁存器、驱动器和功率开关管的单芯片集成，可以大大减小目前常用方案的面积、寄生效应，为激光雷达的小型化、高效率提供可行的方案。

并且，对采用如上所述的将译码器、多个电平转换器、多个锁存器、多个驱动器及多个功率开关管集成于一个芯片的方案进行仿真的结果，驱动激光器的电流脉冲在4ns内可以达到8A，最大电流可以达到16A。可知，通过上述的技术方案提高了驱动效率。

根据本发明，所述译码器、多个电平转换器、多个锁存器驱动器及多个功率开关管优选集成于一个芯片中。通过将上述的器件单芯片集成，可以减少电路构成之间的间隔而大大减小目前常用驱动方案的面积。并且，当各个电路构成分开设置时，需要更多的连接线，这种连接线必然增大寄生效应，通过本申请的集成于一个芯片的方案可以减少寄生效应，并且可以为激光雷达的小型化、高效率提供可行的方案。

上文中，参照图2对根据本发明的一实施例的多通道激光器的驱动芯片进行了说明。接下来，参照图3对具有如上所述的驱动芯片的激光发射模块进行说明。

图3是示出根据本发明的一实施例的激光发射模块的侧视图。

如图3所示，激光发射模块可以包括基板100、激光器阵列200、驱动芯片300、电路图案400及金属线500。

其中，基板100可以是表面形成有电路图案400的印刷电路板，或者也可以是形成有电路图案400的陶瓷结构。基板100的大小不受限制，只要能够设置驱动芯片300及激光器阵列200即可。

驱动芯片300可以是图2所示的驱动芯片。驱动芯片300的输出端，即，每个功率开关管的输出端可以分别电连接于基板100的电路图案400。驱动芯片300的输出端可以通过焊料电连接于电路图案400，也可以通过未示出引脚电连接于电路图案400。

电路图案400可以形成于基板100，并且电路图案400可以形成有多个。电路图案400的一端可以电连接于驱动芯片300的输出端，电路图案400的另一端可以电连接于激光器阵列200的阳极。通过如上方式，可以将驱动芯片的多个输出端和激光器阵列的多个阳极分别连接。

激光器阵列200可以是一体地结合有多个激光器的结构，其中，每个激光器可以单独发出激光。激光器阵列200所包括的多个激光器可以布置为1*n的线阵或者n*m的面阵形式。

激光器阵列200的多个激光器的阴极可以共同连接而形成一个公共阴极，多个激光器的阳极可以分别独立地形成于激光器阵列200的下表面。即，激光器阵列200的公共阴极可以形成于激光器阵列200的上表面，激光器阵列200的多个阴极可以分别形成于激光器阵列200的下表面。因此，当激光器阵列200固定于基板100的时候，多个激光器的阳极可以分别通过焊接等方式固定于基板100的电路图案400。并且，激光器阵列200可以为顶部发光结构。即，激光器阵列200的激光可以从激光器阵列200上表面的公共阴极发出。

金属线500可以将激光器阵列200上表面的公共阴极可以电连接于驱动芯片300或者基板100。其中，金属线500可以利用金属形成。例如，金属线可以利用金、银、铜或者铝等导电性强的金属构成。

通过上述的方式，可以通过驱动芯片300分别驱动激光器阵列200的多个激光器。并且，由于激光器阵列200的多个激光器的阳极分别形成于激光器阵列200的下表面且公共阴极形成于激光器阵列200的上表面，因此可以简化将激光器阵列200电连接于驱动芯片300的工艺。即，可以将激光器阵列200固定于基板100的电路图案400，然后将激光器阵列200的公共阴极通过金属线500电连接于驱动芯片300或基板100，从而相比于激光器的阳极分别形成于激光器阵列200的上表面的情形，可以减少金属线500的数量而防止金属线500遮挡激光器阵列200的发光区域，且可以简化制造工艺。

以上，参照图3对根据本发明的一实施例的激光发射模块进行了说明，接下来，参照图4对根据本发明的一实施例的激光雷达进行说明。

图4是示出根据本发明的一实施例的激光雷达的示意图。

参照图4，根据本发明的一实施例的激光雷达包括激光发射模块10、激光接收模块20以及处理器30。

参照图4说明的激光发射模块10可以与参照图3说明的激光发射模块相同。

激光发射模块10中，激光器阵列200所包括的多个激光器可以基于控制部（未示出）的控制而借助驱动芯片的驱动按照设定顺序发出激光。

并且，从激光器阵列200发出的激光经过激光雷达的设置在光路径上的准直透镜（未示出）准直后可以以准直光线的形态发出。因此，可以通过激光器阵列200的多个激光器覆盖预定的垂直或水平角度范围。其中，激光发射模块10可以覆盖的水平角度范围或垂直角度范围可以根据激光器阵列200所包括的激光器以及准直透镜而多样地变更。

从激光发射模块10发射且在准直透镜准直的激光在激光雷达外部的物体反射后，返回到激光雷达。返回到激光雷达的光可以经过聚焦透镜（未示出）聚焦后入射到激光接收模块20。

所述激光接收模块20可以包括能够感测光的传感器。此时，激光接收模块20所包括的传感器的数量可以为一个或多个。所述传感器可以为诸如APD及SPAD等光电传感器。并且，所述传感器的输出信号可以传送到处理器30。处理器30可以基于飞行时间法（TOF）利用传感器的输出信号计算激光雷达外部的物体与激光雷达的相隔距离。

并且，根据本发明的一实施例的激光雷达还可以包括旋转部件（未示出）。所述旋转部件可以使所述激光发射模块10及激光接收模块20旋转。所述旋转可以是360°的旋转。

以上记载的关于装置及方法的实施例仅仅是示意性的，其中所记载的分离的单元可以是或者不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者不是物理单元，即，可以位于一个位置，或者可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明的技术方案。