光发射模块、光探测模块、激光雷达及其测距方法与流程

1.本发明实施例涉及光学感知技术领域，尤其涉及光发射模块、光探测模块、激光雷达及其测距方法。


背景技术：

2.激光雷达是一种利用激光来实现精确测距的传感器。激光雷达发出激光，遇到周围物体会被反射回来，通过测量激光收发所需的时间差，可以计算出物体的精确距离。此外，可以通过分析回波脉冲的能量大小、波谱的幅度、频率和相位等信息，从而可以得出目标物体精确的三维结构信息，再加上扫描或者多线束扩大视场，进而可以构建三维环境模型，即点云。激光雷达的应用十分广泛，包括自动驾驶、智慧城市/车与一切(vehicle to everything，v2x)、机器人等。
3.为了尽可能多地获取被扫描区域的三维信息，目前大都采用多线激光雷达，多线激光雷达采用多个光发射单元(如激光器)和相应的探测器在垂直方向上进行排列，可以覆盖更广的垂直视场区域。垂直视场角为在垂直方向上可以观测的角度，目前市面上多线激光雷达的线束在一定的角度范围内大多是均匀分布的。
4.鉴于车载激光雷达的主要检测目标是路面上的行人、车辆等，因此为了提高激光的利用效率，出现激光雷达的光束在垂直方向上非均匀分布的方案。如图1a和图1b所示，现有的方案是光发射模块10设置在底座11上，通过在底座11上安装多个支撑板12，多个支撑板12上分别设置多个激光器13，另外，各个激光器13需要指心，即要指向可以发光透镜组(未示出)的中心的方向。通过所述多个支撑板12彼此在垂直方向/纵向(即图中y方向)相对间隔不同，实现激光雷达的发射光束在垂直方向上的非均匀分布。
5.然而，这种通过多个支撑板安装实现激光雷达的发射光束在垂直方向上非均匀分布的方案，体积大，难以满足激光雷达低功耗及小型化的趋势。此外，这种方案在实际应用过程中安装复杂、装调的复杂度高，因此实现成本较高。
6.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明实施例提供一种光发射模块、光探测模块、激光雷达及其测距方法，能够以简洁的方式实现多线激光雷达线束的非均匀分布，且满足激光雷达低功耗及小型化的需求，并降低实现成本。
8.首先，本发明实施例的一个方面，提供了一种光发射模块，包括：
9.第一平面支撑板；
10.多个光发射线列构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板上，每个光发射线列包括多个光发射单元；
11.所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，且其中至少两个光发射
线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
12.可选地，所述多个光发射线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第一平面支撑板的中部区域的光发射单元的密度大于靠近上下两侧的光发射单元的密度。
13.可选地，所述多个光发射线列在垂直方向上的排布密度从中间向上下两侧呈均匀变小或梯度变小的趋势。
14.可选地，所述光发射阵列在垂直视场角
±5°
范围内为光发射单元加密区域。
15.可选地，所述光发射阵列中多个光发射线列呈多列分布，不同的光发射线列中的光发射单元位于不同的行。
16.可选地，所述光发射线列中各光发射单元之间的间距相同或者非均匀分布。
17.可选地，所述光发射模块用于激光雷达，设置于所述激光雷达的发射端的焦平面位置，且还包括场镜，适于汇聚所述光发射单元出射的光，以把所述光发射单元所发的光拉回到所述发射端的光轴。
18.可选地，所述光发射模块还包括透镜组，适于偏折所述光发射单元出射的光，以使得均垂直于所述第一平面支撑板发光的激光器所出射的光可覆盖所述激光雷达的整个垂直视场。
19.可选地，所述多个光发射线列形成的光发射阵列的节距大于或等于单个光发射线列的节距除以交错的列数。
20.可选地，相邻的光发射单元的光斑的重合度略小于相邻两个光发射单元的中心距。
21.可选地，所述光发射单元包括以下至少一种：垂直腔面发射激光器、光子晶体表面发射半导体激光器。
22.可选地，所述第一平面支撑板上设置的多个光发射线列具有相同规格或具有不同规格。
23.其次，本发明实施例的另一个方面，还提供了一种光探测模块，包括：
24.第二平面支撑板；
25.多个光探测线列构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板上，每个光探测线列包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
26.可选地，所述多个光探测线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第二平面支撑板的中部区域的光探测单元的密度大于靠近上下两侧的光探测单元的密度。
27.可选地，所述光探测模块用于激光雷达，设置于所述激光雷达的接收端的焦平面位置，且还包括光阑及滤光片，其中：
28.所述光阑，适于阻挡杂散光；
29.所述滤光片，适于仅允许与所述激光雷达的发射端发出的探测光束的波长对应的光通过后入射到所述光探测单元。
30.本发明实施的另一个方面，还提供了一种激光雷达，包括：光发射模块及与所述光发射模块对应排布的光探测模块，其中：
31.所述光发射模块设置于发射端的焦平面上，包括：
32.第一平面支撑板；
33.多个光发射线列构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板上，每个光发射线列包括多个光发射单元；所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，且其中至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布；
34.所述光探测模块设置于接收端的焦平面上，包括：
35.第二平面支撑板；
36.多个光探测线列构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板上，每个光探测线列包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
37.本发明实施例的又一个方面，还提供了一种激光雷达的测距方法，包括：
38.分别控制光发射阵列发出光脉冲以及控制光探测阵列接收被外界障碍物反射后的光；其中：所述光发射阵列与所述光探测阵列对应排布；所述光发射阵列包括多个光发射线列，各光发射线列均设置于第一平面上，每个光发射线列包括多个光发射单元，其出光方向垂直于所述第一平面，且在垂直方向上构成非均匀分布；所述光探测阵列包括多个光探测线列，各光探测线列均设置于第二平面上，每个光探测线列包括多个光探测单元；
39.根据所述光探测阵列的探测数据，计算所述障碍物的位置信息，并将光探测阵列在全视场范围内的探测数据，合并成一帧，作为点云输出。
40.采用本发明实施例的光发射模块，通过在单个的第一平面支撑板上设置由多个光发射线列构成的光发射阵列，且由于所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，其中至少两个光发射线列中的光发射单元在垂直方向上部分相互交错，从而以一种简洁而紧凑的方式实现了光束在垂直方向上的非均匀分布，可以提高光发射模块整体的能量密度，且通过至少两个光发射线列中的光发射单元在垂直方向上相互交错也可以提高发光效率，进而可以提高多线激光雷达的测远能力，降低激光雷达功耗，满足激光雷达小型化的需求。此外，由于结构简洁紧凑，易于实现，装调便捷，因而能够降低实现成本。
41.进一步地，由于所述多个光发射线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第一平面支撑板的中部区域的光发射单元的密度大于靠近上下两侧的光发射单元的密度，使得探测光束能够聚焦于视场中目标通常出现的主要区域，因此在满足探测需求的情况下，可以进一步提高发光效率，也可以降低激光雷达总体功耗。
42.进一步地，由于所述多个光发射线列在垂直方向上的排布密度从中间向上下两侧呈均匀变小或梯度变小的趋势，可以在保障探测精度的情况下进一步提高发光效率。
43.进一步地，所述光发射线列中各发光单元之间的间距呈均匀变化或梯度变化的趋势，在满足探测需求的情况下，可以进一步提高发光效率，也可以降低激光雷达总体功耗。
44.进一步地，相邻的光发射单元的光斑的重合度略小于相邻两个光发射单元的中心距，能够使得感兴趣区域对应的系统分辨率达到极限，进一步提高光发射模块的能量密度，相应地可尽可能地提高激光雷达的测远能力。
附图说明
45.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，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
提供的附图获得其他的附图。
46.图1a和图1b分别示出了现有技术中一种光发射模块不同视角的结构示意图；
47.图2a示出了本发明实施例中一种光发射模块的平面结构示意图；
48.图2b示出了图2a所示的光发射模块在垂直视场的发射光束分布示意图；
49.图3a和图3b分别示出了一种光发射模块在发射端的光路示意图；
50.图4a示出了本发明实施例中一种光发射模块的平面结构示意图；
51.图4b示出了图4a所示的光发射模块在垂直视场的发射光束分布示意图；
52.图5a至5d依次示出了本发明实施例中一些光发射模块的平面结构示意图；
53.图6示出了一种光发射模块应用于车辆行驶过程中的具体应用场景示意图；
54.图7a至图7c依次示出了本发明实施例中另一些光发射模块的平面结构示意图；
55.图8示出了被加密的相邻激光器的光斑示意图；
56.图9示出了本发明实施例中一种光发射单元的结构示意图；
57.图10示出了本发明实施例中一种光发射线列的结构示意图；
58.图11a和图11b分别示出了本发明实施例中两种光发射模块的平面结构示意图；
59.图12示出了本发明实施例中一种激光雷达的结构示意图；
60.图13示出了本发明实施例中一种光探测线列的结构示意图；
61.图14a和图14b分别示出了本发明实施例中两个光探测模块的平面结构示意图；
62.图15a和图15b示出了本发明实施例中光发射模块和光探测模块的视场关系可选示例示意图；
63.图16示出了本发明实施例中一种光探测单元的结构示意图。
64.图17a示出了一种非轮巡发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系示意图；
65.图17b示出了一种水平扫描式机械雷达非轮巡发光时通道与点云的对应关系示意图；
66.图18a示出了一种轮巡发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系示意图；
67.图18b示出了一种水平扫描式机械雷达轮巡发光时的通道与点云的对应关系示意图；
68.图19示出了本发明实施例中一种激光雷达的测距方法的流程图。
具体实施方式
69.对于多线激光雷达，发射端设置有多个激光器，这多个激光器作为光发射单元发出多个光束，这多个光束在激光雷达系统的垂直视场中非均匀地分布，也即所有线束在垂直方向上的间隔并非完全一致，又因为收发有对应关系，会有至少部分重合的视场(发射端发出去的光落在目标上某个区域，这个区域反射光能正好回到接收端的探测器上)，因此会使得所有的点云的分辨率并非全相同，这称为光束(或称线束或者称点云)的非均匀分布。且对多线激光雷达而言，这个线即为扫描线束，扫描线束的数量，也就是激光收发的通道数，或者说是最小可寻址通道的数目。一般激光器和探测器是1：1配置，扫描线束的数量即等于激光器或者探测器的个数，也等于发射通道或者接收通道的个数。同时，也存在多个探测器共享一个激光器的情况，或者反之，或者甚至可能有交错的情况，此时可以通过分辨最小可寻址可选通的通道的数目，确定扫描线束。
70.如前背景技术部分所述，目前能够实现光束的非均匀分布的方案，难以兼顾实际应用场景中高测量精度需求及低功耗和小型化的需求。另外，也会造成装配及调试的复杂度很高。
71.针对上述问题，本发明实施例的一个方面，在发射端，提供了一种能实现光束非均匀分布的光发射模块。详细地，通过在一块平面化的支撑板(以下为描述方便，称为第一平面支撑板)上设置由多个光发射线列构成的光发射阵列，无需多个支撑架，且由于所述光发射单元的出光方向均一致，都是垂直于所述第一平面支撑板平面，无需通过复杂的装调让每个光发射单元在各个支撑架上偏转不同的方位达到所有光束均指心，且至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，从而以一种简洁而紧凑的方式实现了光束在垂直方向上的非均匀分布。
72.本发明实施例的另一个方面，在接收端，提供了一种光探测单元非均匀分布的光探测模块，在具体实施中，接收端与发射端均有对应关系(二者至少部分的视场重合，以实现对至少重合视场内的物体的探测)，也采用类似的设置布局方式，因此也就实现了所有线束或者整个点云在垂直方向上的分辨率并非完全一致，即非均匀的分布。
73.本发明实施例的又一个方面，提供了一种激光雷达，在发射端可以包括本发明实施例中的光发射模块，在接收端可以包括本发明实施例中的光探测模块，采用其进行环境感知，可以在视场垂直方向上生成非均匀化分布的点云数据。由于收发端(发射端和接收端)的结构简洁紧凑，因此能够提高多线激光雷达的测远能力及测量精度，满足激光雷达小型化的需求，且因为光发射模块中所有的光发射单元均设置于一块平面支撑板(即第一平面支持板)上，又无需让每个光发射单元指心，而是直接让光发射单元贴在该平面化的支撑板上即可，因此非常便于装调。
74.其中，考虑到成本因素，各光发射线列之间是否交错以及具体的交错区域及程度可以根据实际情况进行设计。例如，可以基于待测量目标在垂直视场中通常出现的区域进行设置。
75.在具体实施中，对于光发射模块，各光发射单元可以直接通过贴片工艺贴装在所述第一平面支撑板上，类似地，对于光探测模块，各光探测单元同样可以直接通过贴片工艺贴装在所述第二平面支撑板上。
76.对于本发明实施例所提供的激光雷达，由于发射端和接收端均采用这种平面化的器件的设计，结构紧凑，且这样二者可以使用对称的光路，对光效率非常高，且发射端的第一平面支撑板及接收端的第二平面支撑板都是垂直于光轴，当光机结构由于温度或者应力有轻微变形时，特别是第一平面支撑板或/和第二平面支撑板本身的翘曲，不会造成严重的对光位置变化，也就是说收发通道的对应关系是基本稳定的。这样一来，只要保证足够的贴片精度，那么就可以实现整体对光，大大节约装调时间。
77.另外，光发射单元本身无需指心，而只是配合使用远心光路，即在焦平面附近放置场镜，把光路拉回光轴上，这样也可以提升光发射单元本身的贴片效率。综上，从而可以降低激光雷达总体的实现成本。
78.为使本领域技术人员更好地理解本发明实施例的技术构思及技术原理，明了其技术优点及效果，以下结合附图，通过一些具体应用示例进行详细说明。
79.首先，参照图2a所示的一种光发射模块的平面结构示意图，在本发明实施例中，如
图2a所示，光发射模块a0可以包括：第一平面支撑板ab0，以及多个光发射线列(例如，al1、al2和al3)构成的光发射阵列ax0，所述光发射阵列ax0设置于所述第一平面支撑板ab0上。其中，每个光发射线列包括多个光发射单元au，沿垂直方向设置，且每个光发射单元au的出光方向均垂直于所述第一平面支撑板ab0，其中至少两个光发射线列中的光发射单元在垂直方向上部分相互交错(overlap)，以形成加密区域。
80.例如，具体到图2a所示的光发射阵列ax0，其包括位于第0列的光发射线列al1、al2以及位于第1列的光发射线列al3，其中，光发射线列al1和光发射线列al3在垂直方向上的va0区域相互交错。更具体地，如图2a所示，在垂直方向上，光发射线列al3中的光发射单元au30交错于光发射线列al1中的光发射单元au12及光发射单元au13之间，光发射单元au31交错于光发射单元au13及光发射单元au14之间。光发射单元au具体可以为激光器。作为可选示例，所述光发射单元au具体可以为垂直腔发射单元。
81.采用上述方案，只需要在单个的第一平面支撑板ab0上设置由多个光发射线列构成的光发射阵列ax0，且由于所述光发射单元au的出光方向垂直于所述第一平面支撑板ab0，其中至少两个光发射线列中的光发射单元au发光所形成的线束在垂直方向上相互交错。例如，结合参照图2a以及图2b，由于光发射线列al1和光发射线列al3在垂直方向上的区域ol0相互交错，相应地，在垂直视场方向雷达的所有线束/点云的分布是不均匀的，则区域ol0范围内的光束在垂直方向上的分辨率更高，如图2b所示，发射光束在垂直视场v11区域(对应图2a中的垂直方向上va0范围)的密度大于在视场区域v12、v13区域的密度。
82.此外，由于收发对应，进而对雷达整机而言，可以实现在垂直视场v11区域(对应图2a中的va0)的分辨率或者点云密度大于在视场区域v12、v13区域的分辨率或者点云密度。
83.在具体实施中，所述平面支撑板ab0具体可以为印刷电路板(print circuit board，pcb)，本发明实施例中并不限定其具体轮廓形状及构造。
84.在具体实施中，所述光发射单元au具体可以为垂直腔型发射的激光器，例如可以为垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)、光子晶体表面发射半导体激光器(photon crystal surface emitting laser，pcsel)等。
85.其中，vcsel由于其光束垂直衬底发射，因此易于二维集成，实现晶片级制造，具有低功耗、温漂系数小、鲁棒性强、成本低等优点。pcsel自顶面发射激光，因此其易于被封装并集成到印刷电路板和电子组件中，具有成本低、鲁棒性强、波长范围广、功率高等优点。
86.另外，在具体实施中，由于所有的光发射单元(例如激光器)均是垂直于所述第一平面支撑板出光，为了实现一定垂直视场范围的探测，因此发射端可以采用远心光路来完成激光器出光方向的指心，以提高每个通道在镜头中的透过率。远心光路的主要特征是将光发射阵列(如，激光器阵列)设置在发射光路的焦平面上，进而在焦平面附近一定距离范围以内，比如15mm，设计一个透镜，也叫场镜，把光发射单元(例如，激光器)出射的光拉回到出射光路的光轴，比如参考图3示出的发射端的光路图，激光器la01～la03均设置在第一平面支撑板ab3a上，虽然出射的光均是垂直于支撑板的方向，经过场镜fl0以及其它的透镜组la0整形和偏折后，发射到雷达之外，这样一来，激光雷达所有的激光器出射的光会覆盖整个激光雷达在垂直方向的视场(field of view，fov)范围，另外，对于接收端，对应设置有平面化的探测模块，布局于接收端的焦平面上，发射端发出的激光光束遇到外界的障碍物后反射，至少部分光回到探测模块，经过光阑，被阻拦一些预设的fov之外的部分杂散光，再
经过滤光片，仅仅允许与所述激光雷达的发射端发出的探测光束的波长f0对应的光(在一定的脉宽之内，f0±
δf)通过，入射到光探测单元，可以实现垂直视场范围上的探测。再结合如转镜或者振镜或者微电机系统(micro electromechanical system，mems)或者传统机械雷达的旋转扫描配件或者光学相控阵(optical phased array，opa)或者液晶等，进行水平扫描视场的扩展，就可以实现一定水平视场范围和一定垂直视场范围内障碍物的扫描及探测。
87.而且，为了提高光发射单元所发的光在镜头组中的透过率，如图3b所示，还可以在每个激光器(例如lb01～lb03)的出光侧加装微透镜阵列mlx，以进一步压缩发散角。
88.需要说明的是，以上仅为示例性说明，本发明实施例中并不限定所采用的光发射单元的具体类型，能够实现出光方向垂直于第一平面支撑板即可。
89.在具体实施中，考虑到光发射模块实际的应用场景，例如光发射模块可以应用于激光雷达，若激光雷达作为自动驾驶、高级驾驶辅助系统(advanced driver assistance system，adas)或机器人等设备的感测装置，主要检测地面上的行人，以及移动的车辆等目标，那么，在目标可能出现的区域之外，例如对于射向高处天空中的光束很大程度上是被浪费的。为此，可以对所述多个光发射线列的排布进行有针对性的设置，使得在垂直方向上靠近所述第一平面支撑板的中部区域的光发射单元的密度大于靠近上下两侧的光发射单元的密度。
90.例如，继续参照图2a和图2b，其中，光发射单元在ol0区域的密度大于其上下两侧区域的光发射单元的密度，相应地，雷达的线束或者点云在垂直视场v11区域的密度大于在视场区域v12、v13区域的密度。
91.接着参照图4a所示的光发射模块的平面结构示意图以及图4b所示的对应的发射光束在垂直视场区域的分布示意图，光发射模块a1与光发射模块a0的不同之处在于，光发射阵列ax1中，位于第0列的光发射模块al1与光发射模块al2之间的距离更近，结构更加紧凑，且位于第1列的光发射线列al3位置更加居中，例如，可以沿光发射线列al1和al2之间的中线水平对称，从而使得光发射线列al3在垂直方向上与光发射线列al1和al2均有交错，这样，在垂直视场上，雷达的线束或者点云在垂直视场v21区域的密度大于在视场区域v22、v23区域的密度，且线束在视场区域v22和v23区域的覆盖范围大体相等。另外，所述光发射阵列中多个光发射线列呈多列分布，不同的光发射线列中的光发射单元位于不同的行。参考图4a，光发射线列al1、al2及al3构成光发射阵列，一共分布于2列中，也即沿着图上的y方向，光发射线列al1及al3中的光发射单元au分布在不同的行上，也即在x方向维度，位于不同位置。
92.又如图5a所示，光发射模块a2包括第一平面支撑板ab2以及设置于所述第一平面支撑板ab2上的光发射阵列ax2。其中，光发射阵列ax2包括多个光发射线列al1～al5，呈两列垂直分布。其中，位于第1列的光发射线列al4，与位于第0列的光发射线列al1、al2均部分交错，且位于第1列的光发射线列al5，与位于第0列的光发射线列al2、al3均部分交错，这样，位于区域ol2范围内的光发射单元的对应形成的雷达的线束或者点云在垂直方向上的分辨率更高。
93.在具体实施中，可以有更多列光发射线列构成光发射阵列，且多个光发射线列在垂直方向上，基于排布疏密程度的差异，可以有多个档位。作为可选示例，多个光发射线列
在垂直方向上的排布密度从中间向上下两侧呈均匀变小或梯度变小的趋势，从而可以在保障探测精度的情况下进一步提高发光效率。
94.如图5b所示，光发射模块a3包括第一平面支撑板ab3以及设置于所述第一平面支撑板ab3上的光发射阵列ax3。其中，光发射阵列ax3包括多个光发射线列al1～al6，共分成3列垂直分布。与图5a所示的光发射阵列ax2的不同之处在于，光发射阵列ax3还包括位于第2列的光发射线列al6，且光发射线列al6还与位于第1列的光发射线列al4、al5分别部分交错，从而形成在垂直方向上从光发射线列al6与第0列的光发射线列al2和第1列的光发射线列al4、al5均交错的区域，至上下两侧仅位于第1列的光发射线列al4与位于第0列的光发射线列al1部分交错的区域，以及位于第1列的光发射线列al5与位于第0列的光发射线列al3部分交错的区域，至上下两侧与其他列无任何交错的位于第0列的光发射线列al1和al3中的部分光发射单元分布的区域，密度依次梯度递减，则光发射阵列ax3的发射光束在垂直方向上的分辨率从中间向上下两侧梯度递减。
95.又如图5c所示的另一种光发射模块的平面结构示意图，光发射模块a4包括第一平面支撑板ab4以及设置于所述第一平面支撑板ab4上的光发射阵列ax4。与图5b所示的光发射模块a3的不同之处在于，在光发射阵列ax4中，还包括位于第3列的光发射线列al7，光发射线列al7所包含的光发射单元的数量与其他几个光发射线列包含的光发射单元的数量不同，如图5c所示，其包括4个光发射单元，而其他几个光发射线列al1～al6均包含8个光发射线列，且光发射线列al7还与位于第2列的光发射线列al6在垂直方向上交错，从而使得光发射阵列ax4的发射光束在垂直方向的分辨率形成从中间区域向两侧梯度递减的非均匀分布。
96.在本发明实施例中，并不限制各光发射线列包含的光发射单元的数目，且同一光发射阵列中的各光发射线列中的光发射单元的数目可以相同，也可以不同，能够实现光发射模块的发射光束在垂直方向上非均匀分布，并满足具体应用场景中的目标探测需求即可。
97.在具体实施中，多个光发射线列可以沿竖直方向呈多列分布，且相邻列的光发射线列在垂直方向上也可以相互交错。如图5d所示的光发射模块的平面结构示意图，其中光发射模块a5包括第一平面支撑板ab5以及设置于所述第一平面支撑板ab5上的光发射阵列ax5。光发射阵列ax5共包括3列，其中，位于第1列的光发射线列al4一部分区域与位于第0列的光发射线列al1部分交错，另一部分区域与位于第2列的光发射线列al6部分交错；位于第1列的光发射线列al5一部分区域与位于第0列的光发射线列al2部分交错，另一部分区域与位于第2列的光发射线列al7部分交错，形成光发射阵列ax5在垂直方向上疏密程度交替分布的情形，从而使得雷达的线束或者点云也呈现非均匀疏密交替的分布。
98.如前所述，考虑到成本因素，各光发射线列之间是否交错以及具体的交错区域可以根据实际情况进行设计。例如，若将光发射模块用于激光雷达，安装于车辆上，实现自动驾驶过程中的测距。例如探测需求是需要探测距离为200米范围内的目标。本领域技术人员可以理解的是，探测距离能力需求与车速正相关，例如，只有车速很快，一般是在高速公路上才需要看清200米之外的目标，所以需要的激光雷达的测距能力跟车速有直接关系，车速越大，希望激光雷达能够探测的距离越远。而车速与路面倾角有相关性，一般倾角越大，极限车速越低，这是因为，基于行车安全要求，上下坡都需要减速。
99.另根据路面设计要求，不同车速等级的公路坡度也不一样。例如表1所示的中国不同等级的路面设计参数信息对照表。
100.设计速度(km/h)1201008060403020最大纵坡(％)3456789路面倾角(
°
)1.722.292.873.444.014.595.16
101.表1中国不同车速等级的路面设计参数信息对照表
102.假设最极端情况是：车速为120km/h路况，路面有倾角，假设取为
±2°
，即为表1中车速大概为120km/h对应的倾角，其中﹢2
°
表示上坡，﹣2
°
表示下坡。若需要看清200米处的目标，则在垂直视场范围
±4°
范围内的光发射线列都需要交错，即光发射阵列在垂直视场范围
±4°
范围内包括至少两列光发射线列。如图6所示，若车辆c0在坡的顶部，激光雷达(图中未示出)水平安装于所述车辆c0的顶部或者前部，则需要在0～-4
°
的垂直视场范围内增加光发射单元的分布密度，方有利于提高前方200米处的物体的探测分辨率。
103.在具体应用过程中，考虑到设计裕量，可以设置激光雷达在垂直视场角
±5°
范围内进行点云加密，在具体实施中，所述光发射阵列在垂直视场角
±5°
范围内可以增加光发射单元的密度，形成加密区域，从而可以提高探测效率。
104.在本发明一些实施例中，在光发射阵列中，多个光发射线列可以沿竖直方向呈多列分布，且对于处于第一平面支撑板中相对靠中间区域的光发射线列，其可以一端与相邻列的光发射线列首尾相接，另一端与相邻列的光发射线列在垂直方向上相互交错。
105.如图2a所示，在光发射阵列ax0中，位于第1列的光发射线列al3上端部的多个发光单元与位于第0列的光发射线列al1在垂直方向上的va0区域相互交错，构成一加密了的一维阵列区域；位于第1列的光发射线列al3的下端部与位于第0列的光发射线列al2首尾相接，构成相对稀疏的一维阵列区域。
106.又如图5d所示，在光发射阵列ax5中，位于第1列的光发射线列al4，其上端部与位于第0列的光发射线列al1在垂直方向上相互交错；其下端部与位于第0列的光发射线列al2在垂直方向上首尾交接，且与位于第2列的光发射线列al6在垂直方向上相互交错。类似地，位于第1列的光发射线列al5，其上端部与位于第0列的光发射线列al2在垂直方向上相互交错；其下端部与位于第0列的光发射线列al3在垂直方向上首尾交接，且与位于第2列的光发射线列al7在垂直方向上相互交错。上述排布方式构成了疏密间隔分布的一维阵列。
107.在具体实施中，所述光发射线列中各光发射单元之间的间距相同，如图2a、图4a、图5a至图5d所示，也可以非均匀分布，以下结合附图进行示例说明。
108.参照图7a所示的光发射模块的平面结构示意图，光发射模块a6包括第一平面支撑板ab6及设置于所述第一平面支撑板ab6上的光发射阵列ax6，其中，光发射阵列ax6包括位于第0列的光发射线列al1、al2，及位于第1列的光发射线列al3，与前述各实施例的不同之处在于，位于第0列的光发射线列al1、al2所包含的各光发射单元au之间的间距不同，而位于第1列的光发射线列al3中各光发射单元au之间的间距相同。
109.在具体实施中，光发射线列中各光发射单元之间的间距呈均匀变化或梯度变化的趋势。作为一些可选示例，所述多个光发射线列中光发射单元的间距从中心向两侧呈递增趋势，或者从一端到另一端呈递增趋势。继续参照图7a，光发射线列al1中，光发射线列al1中各光发射单元au之间的间距从下端部往上端部逐渐递增，而光发射线列al2中各光发射
单元au之间的间距从上端部往下端部逐渐递增。
110.如图7b所示，其中光发射模块a7中，设置于第一平面支撑板ab7上的光发射阵列ax7包括第0列相对对称的光发射线列al1和al2，以及第1列的光发射线列al3，光发射线列al1～al3中各光发射单元均为非均匀排布。
111.其中，如图7b所示，第0列的光发射单元au共同形成从第一平面支撑板ab7中部区域向上下两侧形成间隔逐渐增大的排布结构，而在第1列中，光光发射线列al3一方面分别与第0列的光发射线列al1和al2在垂直方向上相互交错，且光发射线列al3中的光发射单元au沿垂直方向从下至上间隔逐渐递增，从而形成了光发射阵列ax7的光束以及雷达的整体的线束和点云在垂直方向上的非均匀分布，整体形成从中部靠下区域向两侧密度逐渐减小的排布。
112.而对于光发射模块a8，参照图7c，设置于第一平面支撑板ab8上的光发射阵列ax8中，光发射线列al1～al3中各光发射单元同样均为非均匀排布。如图7c所示，其中，第0列的光发射线列al1和al2中的光发射单元au，在垂直方向上从下端部向上端部均为间隔逐渐增大的排布结构，而在第1列中，光发射线列al3中的光发射单元则为在垂直方向上从上端部至下端部间隔逐渐增大，且光发射线列al3分别与第0列的光发射线列al1和al2在垂直方向上分别相互交错，从而形成了光发射阵列ax8的发射光束在垂直方向上的非均匀分布。
113.在具体实施中，光发射阵列中各光发射线列之间根据工艺要求，留出足够的打线和走线空间即可。
114.其中，在具体应用过程中，所述多个光发射线列形成的阵列的节距等于单个光发射线列的节距除以交错的列数。其中，如图2a所示，单个光发射线列的节距是指位于同一列的相邻两个光发射单元之间的间距，如图2a中的第一节距pt0；光发射阵列的节距是指垂直方向上交错的两列光发射线列中垂直方向上相邻的光发射单元之间的距离，如图2a中的第二节距pt1，则pt1＝pt0/2。
115.在具体实施中，每个光发射线列可以独立封装为一个芯片或器件。基于半导体器件成品率的考虑，需要对每个光发射线列的长宽比进行一定限制。在本发明实施例中，所采用的光发射线列的长宽比可以设置在1:1至10:1之间，而在具体应用场景中，光发射阵列可能需要形成30:1甚至60:1的一维阵列，为此，采用本发明实施例中多个光发射线列多段拼接的方式，可以满足产品成品率需求，具有更高的性价比。
116.此外，为了尽可能提高测距能力，光发射模块的发光面积需要尽可能地大一些，特别是用vcsel做光源的时候。这时，可能出现发光区在垂直方向上的高度h大于加密节距的情况，也即多列交错以后会出现一些光斑的重叠部分，这是允许的。由于光的衍射现象，在视觉上可能会出现无法分清两个相邻的光斑的情形，如图8所示的被加密的相邻激光器的光斑示意图，根据瑞利判据(rayleigh criterion)，当两个光斑的重合度r＜50％，亦即在不考虑旁瓣情况下，光斑主瓣的半高宽h/2等于相邻光斑之间的距离r0，即h/2＝r0，则仍然可以从视觉上分开这两个光斑，因此，在使光发射模块的系统分辨率达到衍射极限情况下，可以设置相邻的光发射单元的光斑的重合度r小于相邻两个光发射单元的中心距r0，从而在保持高分辨率的同时，还可以尽可能地提高光发射模块的能量密度，进一步提高测距能力。
117.在具体实施中，所述第一平面支撑板上设置的多个光发射线列可以具有相同规
格，也可以具有不同规格。如前实施例所示，参照图5c所示，光发射线列al7包含的光发射单元的数目与光发射阵列ax4中其他光发射线列中包含的光发射单元的数目不同。又如图7a所示，光发射线列al3与光发射阵列ax6中其他的光发射线列中各光发射单元之间的间距不同。又比如光发射线列中的每个光发射单元的尺寸可以不同。可以理解的是，以上仅为示例说明，根据需要，同一个第一平面支撑板上设置的多个光发射线列也可以有其他的规格参数的不同。
118.为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明实施例，以下示出一些光发射单元具体的可实现示例。
119.其中，光发射单元具体可以包括一个发光点，也可以包括多个发光点。
120.在具体实施中，多个所述光发射单元的各个阴极或者阳极可以共用，且每个发光单元分别具有连接点，所述连接点分别电连接至相对应的每个光发射单元未共用的阳极或者阴极。其中，所述连接点具体可以为打线焊盘或者其他形式的接线部件。
121.在本发明一些实施例中，光发射单元可以包括多个发光区块，其中每个发光区块包括至少一个发光点。
122.参照图9所示的一种光发射单元的结构示意图，光发射单元au0包括两个发光区块，即发光区块u1和发光区块u2，所述发光区块u1和发光区块u2的阴极共用，且发光区块u1具有连接点u1a，发光区块u2具有连接点u2a。在具体实施中，所述光发射单元au0可以为独立封装的激光器，其中的发光区块u1和发光区块u2分别具备单独的衬底。作为可选示例，所述光发射单元au0具体可以为vcsel、pcsel等垂直腔发光器件。
123.参照图10所示的光发射线列的结构示意图，光发射线列ali包括多个光发射单元au0，所述光发射单元au0采用图9所示的光发射单元的结构，且各光发射单元au0之间的间距相同。可以理解的是，在具体实施中，各光发射单元au0之间的间距也可以不同。
124.在具体应用过程中，根据实际探测应用场景的实际需要，可以采用控制装置及驱动装置对所述光发射模块进行驱动控制，控制装置可以输出控制信号对驱动装置进行通断控制，进而驱动光发射模块相应发射通道的发光。其中，可以采用一个驱动装置控制多个光发射线列的光发射单元的发光与否；也可以采用不同的驱动装置分别控制不同的光发射线列；或者采用多个驱动装置，每个驱动装置分别控制多个光发射线列的发光与否。
125.为使本领域技术人员更好地理解和实施，以下示出采用图10所示的光发射线列的一些光发射模块的具体实现方案。
126.首先，如图11a所示的光发射模块的平面结构示意图，光发射模块a9包括第一平面支撑板ab9，及设置于其上的光发射阵列ax9和驱动芯片ch0。
127.在具体实施中，控制装置(未示出)可以设置于其他的电路板上，也可以设置在所述第一平面支撑板ab9上。控制装置具体可以采用单片机、cpu、可编程逻辑阵列(fpga)芯片等实施，本发明实施例并不限制控制装置的具体实现形式。
128.继续参照图11a，光发射阵列ax9包括位于第0列的光发射线列al1以及位于第1列的光发射线列al2，且光发射线列al2与光发射线列al1在垂直方向上部分交错，从而可以实现激光雷达的线束及点云在垂直视场上的非均匀分布，其中光发射线列al2与光发射线列al1在垂直方向上交错区域的发射光束的垂直视场密度大于二者未交错区域的垂直视场密度。
129.在具体实施中，可以进行单侧驱动，即驱动器位于激光器的单侧，可以节约面积。如图11a所示，可以通过驱动芯片ch0的连接点(未示出)分别与光发射线列al1、al2中各光发射单元au0的连接点进行电连接，其可以通过在第一平面支撑板ab9内部布线完成所述驱动芯片ch0与各光发射单元au0的电连接。
130.在本发明另一些实施例中，可以采用多个驱动芯片，每个驱动芯片分别驱动1个或多个光发射线列。
131.在具体实施中，也可以进行双侧驱动，即驱动器位于激光器的两侧，可以提高驱动能力。参照图11b所示的光发射模块的平面结构示意图，光发射模块a10包括：第一平面支撑板ab10，及设置于其上的光发射阵列ax10和驱动芯片ch1、ch2。其中，光发射阵列ax10包括位于第0列的光发射线列al1以及位于第1列的光发射线列al2，驱动芯片ch1用于驱动光发射线列al1，驱动芯片ch2用于驱动光发射线列al2，且光发射线列al2与光发射线列al1在垂直方向上部分交错，从而可以实现发射光束在垂直视场上的非均匀分布，其中光发射线列al2与光发射线列al1在垂直方向上交错区域的发射光束的垂直视场密度大于二者未交错区域的垂直视场密度。
132.与图11a所示的光发射模块的不同之处还在于，一方面，光发射线列al1和光发射线列al2中光发射单元au0的发光区域更加集中，从而可以进一步提高光发射阵列整体的能量密度；另一方面，各光发射单元au0的连接点均设置于光发射阵列ax10的两侧，更加靠近其各自的驱动芯片，从而可以使减小第一平面板ab10中走线电阻，并降低各线路之间的耦合噪声干扰。
133.需要说明的是，以上附图仅为便于理解的示意性结构，并不代表光发射模块的实际结构，例如图11a和图11b中驱动芯片与激光器的真实相对大小比例关系或者数量对应关系，本说明书实施例中并不对此做任何限定。
134.如前所述，本发明实施例还提供了与前述实施例中的光发射模块对应的光探测模块。光探测模块与光发射模块可以具有相同的布局结构。在具体应用中，例如可以将上述光发射模块和光探测模块应用于激光雷达实现目标视场内的目标探测。
135.在本发明一些实施例中，提供了一种光探测模块，其包括：第二平面支撑板；多个光探测线列构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板上，每个光探测线列包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
136.作为一些可选示例，所述多个光探测线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第二平面支撑板的中部区域的光探测单元的密度大于靠近上下两侧的光探测单元的密度。
137.在具体实施中，所述光探测阵列中多个光探测线列呈多列分布，且不同的光探测线列中的光探测单元位于不同的行。
138.基于雷达的探测基本实现原理，为了实现对目标视场内的目标探测，雷达的发射端与接收端至少部分的视场重合，这样收发通道能够对应，接收端和发射端可以对称设置，因此接收端的光探测模块也适于采用与发射端的光发射模块类似的设置布局方式，因此以上实施例中介绍的发射端的不同设置布局实施例，以及附图结构也适应于接收端的光探测模块的结构，具体可以参见前述光发射模块的具体实施例及附图，这里不再赘述。
139.如前所述，光发射模块应用领域广泛，其中可以应用于目标探测及控制等领域，为
使本领域技术领域更好地理解和实施，以下以其在激光雷达中的具体应用进行示例说明。
140.参照图12所示的激光雷达的结构示意图，激光雷达l0可以包括：光发射模块tx及与所述光发射模块tx对应排布的光探测模块rx。
141.其中，所述光发射模块tx设置于发射端的焦平面上，可以包括：
142.第一平面支撑板abx；
143.多个光发射线列alx构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板abx上，每个光发射线列alx包括多个光发射单元；所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板abx，且其中至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
144.光发射模块tx中的光发射阵列设置于所述第一平面支撑板上，构成平面化的发射器件，其具体实现、工作原理、优点等均可以参见前述各实施例的详细描述，此处不再详细展开介绍。
145.继续参照图12，在具体实施中，所述光探测模块rx设置于接收端的焦平面上，具体可以包括：
146.第二平面支撑板pbx；
147.多个光探测线列rlx构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板pbx上，所述光探测线列rlx包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列rlx中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
148.光探测模块tx中的光探测阵列设置于所述第二平面支撑板上，构成平面化的接收器件。
149.采用上述激光雷达，各光探测线列rlx均与相应的光发射线列alx位置对应，光发射模块tx发出探测光束，被目标物o反射的回波光束被光探测模块rx接收，并转换为电信号，以用于目标探测。
150.光发射模块及光探测模块在布局上相互对应设置，确保二者的点云视场重叠，从而使得光发射模块发射的光被外界障碍物反射后，可以被对应的光探测模块接收到。
151.作为可选示例，所述光探测单元具体可以为单光子探测单元，比如单光子雪崩光电二极管(single photon avalanche diode，spad)阵列或者硅光电倍增管(silicone photomultiplier，sipm)，以提高探测的灵敏度，可以实现对极微弱的目标信号的探测。
152.参照图13所示的一种光探测线列的结构示意图，光探测线列rli包括多个光探测单元ru，各光探测单元ru之间可以均匀排布，也可以非均匀排布，光探测线列rli具体规格参数可以参照对应的光发射线列ali进行设置，包括设置其中包含的光探测单元ru的具体数量、各光探测单元ru的具体尺寸及各光探测单元ru之间的间距，以及各光探测线列之间的列间距，以及各光探测线列之间的具体排布方式等其中至少一个规格参数，只要确保收发端能够至少部分视场重合，从而由光发射单元出射的光在遇到障碍物被反射后，可以至少部分被光探测单元(例如，探测器)接收到，进而分析得到障碍物的距离及反射率等信息，从而实现对该障碍物的探测。
153.在具体实施中，继续参照图13，每个光探测单元ru可以包括探测区块ra和连接点rb，且至少一个光探测单元ru与一个光发射单元au可以构成一个探测通道。其中，所述连接点rb具体可以为打线焊盘或者其他形式的接线部件。
154.如前所述，光探测模块的具体结构与光发射模块的具体结构保持一致且位置对应设置即可。为了使本领域技术人员更好地理解和实施，以下给出一些可选示例。
155.参照图14a和图14b所示的光探测模块的平面结构示意图，首先，如图14a所示，光探测模块b0包括第二平面支撑板pb0以及设置于所述第二平面支撑板pb0上的光探测阵列rx0。其中，光探测阵列rx0包括多个光探测线列rl1～rl2，共分成2列垂直分布。并且，位于第1列的光探测线列rl2在垂直方向上一部分与位于第0列的光探测线列rl1交错，则相应地，在垂直方向上交错区域对应的系统分辨率大于其他未交错区域的分辨率，从而可以提高系统整体探测能力及探测精度，并兼顾系统整体功耗。
156.其中光探测线列rl1和rl2均同向设置，即各光探测单元的连接点均更靠近第二平面支撑板pb0的左侧，而相应的探测点更靠近第二平面支撑板pb0的右侧。
157.作为一具体示例，图14a所示的光探测模块b0可以与类似图11a所示排布结构的光发射模块a9匹配设置于激光雷达中，以用于目标探测。
158.接着参照图14b所示的光探测模块的结构示意图，光探测模块b1包括第二平面支撑板pb1以及设置于所述第二平面支撑板pb1上的光探测阵列rx1。其中，光探测阵列rx0包括多个光探测线列rl1～rl2，共分成2列垂直分布。并且，位于第1列的光探测线列rl2在垂直方向上一部分与位于第0列的光探测线列rl1交错，则相应地，在垂直方向上交错区域对应的系统分辨率大于其他未交错区域的分辨率，从而可以提高系统整体探测能力及探测精度，并兼顾系统整体功耗。
159.其中，与图14a所示的光探测模块的不同之处在于，光探测线列rl1与光探测线列rl2沿垂直方向中心线c-c对称设置，即第0列光探测线列rl1中的光探测单元的连接点均更靠近第二平面支撑板pb1的左侧，相应的探测点更靠近第二平面支撑板pb1的右侧；而第1列光探测线列rl2中的光探测单元的连接点均更靠近第二平面支撑板pb1的右侧，相应的探测点更靠近第二平面支撑板pb1的左侧。
160.作为一具体示例，图14b所示的光探测模块b1，可以与图11b或与图11b类似结构形式的光发射模块a10匹配设置于激光雷达中，以用于目标探测。
161.综上，本说明书实施例中的激光雷达，可以通过平面化(设置于平面的支撑板上的)的收发器件实现非均匀的点云。
162.为了提高对光精度，保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性，在具体应用过程中，可以设置激光雷达中光发射模块和光探测模块的视场相对垂直交错，并且，所述光发射模块在第一方向上的视场尺寸大于所述光接收模块的视场尺寸，在第二方向上的视场尺寸小于所述光探测模块的视场尺寸，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
163.继续参照图12，若光发射模块tx和光探测模块rx的视场相互交错，其中形成一个一定的重叠区域，即有效视场区域。
164.例如，若光发射模块tx和光探测模块rx的视场覆盖区域均为矩形，第一方向和第二方向分别对应两个垂直的边长方向。其中，光发射模块tx在第一方向上的视场尺寸为v1，在第二方向上的视场尺寸为h1，光探测模块rx在第一方向上的视场尺寸为v2，在第二方向上的视场尺寸为h2，则v1＞v2，h1＜h2。光发射模块tx和光探测模块rx分别采用上述视场尺寸，则相应的有效视场面积为v2*h1/f2，其中f为焦距。
165.参照图15a和图15b所示的光发射模块和光探测模块的视场关系可选示例示意图。
光发射模块tx和光探测模块rx的视场覆盖区域均为矩形。
166.首先参照图15a所示的光发射模块tx和光探测模块rx的一种视场关系示例，假设第一方向为水平方向，第二方向为垂直方向，光发射模块tx的视场aa的水平方向尺寸为v1a，垂直方向尺寸为h1a，v1a＞h1a，光探测模块rx的视场ba的水平方向尺寸为v2a，垂直方向尺寸为h2a，且h2a＞v2a。如图15a所示，在水平方向上，光发射模块tx的视场尺寸v1a大于光探测模块rx的视场尺寸v2a，即v1a＞v2a；在垂直方向上，光发射模块tx的视场尺寸h1a小于光探测模块rx的视场尺寸h2a，即h1a＜h2a。
167.接着参照图15b所示的光发射模块tx和光探测模块rx的另一种视场关系示例，假设第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向，光发射模块tx的视场ab的水平方向尺寸为v1b，垂直方向尺寸为h1b，v1b＜h1b，光探测模块rx的视场bb的水平方向尺寸为v2b，垂直方向尺寸为h2b，且h2b＜v2b。如图15b所示，在水平方向上，光发射模块tx的视场尺寸v1b小于光探测模块rx的视场尺寸v2b，即v1b＜v2b；在垂直方向上，光发射模块a的视场尺寸h1b＞光探测模块b的视场尺寸h2b，即h1b＞h2b。
168.由上述示例可知，采用上述光收发模块，光发射模块tx发出的探测光束返回的光斑的主要能量分布在光探测模块rx的有效面积上，可以形成一个近似“十”字形，如果在水平方向上，光发射模块tx的光斑比光探测模块rx的宽度大，则垂直方向上光发射模块tx光斑比光探测模块rx小；如果在水平方向上，光发射模块tx光斑比光探测模块rx宽度小，则垂直方向上，光发射模块tx光斑比光探测模块rx小。这样，当存在光学、结构、贴片、温漂等对光误差的时候，仍然能够保持同样的重合面积和测距能力，因而能够提高对光精度，进而保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性。
169.采用上述激光雷达，从对光裕量效果的角度看，光发射模块和光探测模块在第一方向和第二方向的允许误差是一致的，从而可以提高光发射模块发光面和光探测模块光敏面的设计裕量，因此可以提高对光精度，进而保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
170.在具体实施中，各光探测单元与各自相应的光发射单元对应的视场可以均是相对垂直交错，且各发光单元在所述第一方向上的视场尺寸大于相对应的探测单元的视场尺寸，在所述第二方向上的视场尺寸小于相对应的探测单元的视场尺寸。
171.当存在光学、结构、贴片、温漂等对光误差的时候，通过使各光探测单元与各自相应的光发射单元对应的视场均相互垂直交错，且满足上述尺寸对应关系，能够使得各探测通道探测到的点云，也就是每个点云在焦平面上的有效面积，或者激光雷达每个点云的有效探测角度范围均能够保持同样的重合面积和测距能力，因而能够提高对光精度，进而保证各个收发通道的测距能力的一致性和稳定性。
172.在本发明一些实施例中，对应图9所示的光发射单元au0，可以采用如图16所示的光探测单元ru0。具体而言，光探测单元ru0包括两个探测区块及对应的连接点，即探测区块ra1和探测区块ra2，以及与探测区块ra1对应的连接点rb1，与探测区块ra2对应的连接点rb2。
173.可以理解的是，一个探测单元也可以仅包含一个探测区块。不论一个探测单元包含几个探测区块，可以一个探测区块对应一个或多个发光区块，或者一个发光区块对应多个探测区块均可。
174.在本发明一些实施例中，所述光发射模块中多个光发射线列沿竖直方向呈多列分
布，且多列光发射线列可以至少部分交错，从而可以改变垂直视场上发射光束的分布密度；相应地，所述光探测模块中多个探测单元向呈多列分布，且多列光探测线列至少部分交错，且每个光探测线列均与相对应的光发射线列的视场垂直交错分布。若光发射单元包括多个发光区块，则每个发光区块均有一个视场与之垂直交错的探测区块。
175.从对光裕量效果的角度看，不论水平方向还是垂直方向，每个光发射单元和光探测单元均有一定的允许误差，且在这两个方向上的允许误差是一致的，因此可以提高光发射模块发光面和光探测模块光敏面总体的设计裕量，进而可以提高对光精度，保证各个通道的测距能力的一致性和稳定性。
176.并且，通过光发射模块多列光发射线列交错分布，以及与之对应的光探测模块中多列光接收线列的交错分布，实现垂直视场上线束的非均匀分布，可以提高光发射模块及包含所述光发射模块的激光雷达在目标区域的垂直方向分辨率，可以以较低的成本提高探测得到的激光点云的密度。
177.此外，本发明实施例中的激光雷达，发射端和接收端均采用这种平面化设计，这样二者可以使用对称的光路，对光效率非常高，且收发的平面支撑板(即第一平面支撑板和第二平面支撑板)都是垂直于光轴，当光机结构由于温度或者应力有轻微变形时，特别是电路板本身的翘曲，不会造成严重的对光位置变化，也就是说收发通道的对应关系是基本稳定的。这样一来，只要保证足够的贴片精度，那么就可以实现整体对光，大大节约装调时间。另外，激光器本身无需指心，而只是配合使用远心光路，即在焦平面附近放置场镜，把光路拉回光轴上，这样也可以提升激光器本身的贴片效率。参照图3a和图3b所示的光发射模块在发射端的光路示意图。
178.为使本领域技术人员便于理解及实施，以下简要介绍一下上述激光雷达对应的测距方法，参照图19所示的激光雷达测距方法的流程图，具体可以包括如下步骤：
179.s11，分别控制光发射阵列发出光脉冲以及控制光探测阵列接收被外界障碍物反射后的光。
180.其中，所述光发射阵列与所述光探测阵列对应排布。所述光发射阵列可以包括多个光发射线列，各光发射线列均设置于第一平面上，每个光发射线列包括多个光发射单元，其出光方向垂直于所述第一平面，且在垂直方向上构成非均匀分布；所述光探测阵列可以包括多个光探测线列，各光探测线列均设置于第二平面上，每个光探测线列包括多个光探测单元。
181.在具体实施中，光发射阵列中，可以有至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布；相应地，光探测阵列中，可以有至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。
182.所述光发射阵列和所述光探测阵列的具体实现可以参见前述光发射模块和光探测模块实施例的详细介绍，此处不再详细描述。
183.s12，根据所述光探测阵列的探测数据，计算所述障碍物的位置信息，并将光探测阵列在全视场范围内的探测数据，合并成一帧，作为点云输出。
184.其中，所述全视场范围包括水平视场以及垂直视场。
185.作为一可选示例，所述激光雷达具体可以是水平扫描的机械式雷达。采用本发明实施例中的激光雷达，由于其中的光发射模块包括多个位于不同列的光发射线列，并且对
应的光探测模块包括多个位于不同列的光探测线列，为使本领域技术人员更好地明白如何生成点云数据，以下首先简单介绍一下水平扫描的机械式雷达的工作原理。
186.首先，雷达的角速度ω＝360
°
fr，其中fr为转动频率，作为示例，若机械式雷达的转动频率为20hz，则ω＝7200
°
/s。重复扫描周期t，是指完成所有通道测量的最小时间片，并且以此周期重复扫描所有通道。当所有通道的扫描频率都一样，或者说水平角分辨率hres一样的时候，hres＝ω*t。
187.由于机械式雷达的转动惯性，在角度分辨率的范围内，可以认为扫描角速度ω是恒定的，因此，可以用公式φ＝φ0+ω*δt来预测某个时刻的机械角度，其中φ为当前发光时刻的机械角度，φ0为前一个发光时刻的机械角度，δt为时序表中的值，也即点云数据的真实发光时刻相对于前一个测量时刻的时间差。
188.在具体实施中，激光雷达可以采用所有通道均同时发光的方式，或者也可以采用所有通道非同时发光(例如轮巡发光)的方式。
189.首先参照图17a所示的非轮巡发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系示意图以及图18a所示的轮巡发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系示意图，作为示例，两个相邻的光发射线列banka、bankb在水平方向的中心距gap可以为cm量级；二者之间水平方向的夹角为x
°
，其大于水平角度分辨率，作为一些可选实施例，具体取值例如可以为3
°
、10
°
、12
°
。各光发射线列中光发射单元的节距pitch为μm量级。其中，图17a中所示为非轮巡发光，即所有通道同时发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系，其中在t1时刻对应的水平角度分别为θi、φi，可以分别扫描得到对应的点云序列，经ω*t时长后，即在t2时刻，光发射线列banka、bankb中各光发射单元再次同时发光，可以扫描得到水平角度分别为θ
i+1
、φ
i+1
的点云序列，则t1和t2时刻这两次扫描对应的水平角分辨率为t2-t1＝ω*t＝hres。
190.图18a所示为各通道轮巡发光时水平扫描过程与生成的点云的对应关系示意图，由于各光发射单元非同时发光，如图18a所示，若光发射线列banka和bankb中各光发射单元按照从上到下的顺序依次发光，例如，在vx方向上，从上至下，按照时序，在t1时刻，光发射线列banka和bankb中第一个光发射单元发光，在t’时刻，光发射线列banka和bankb中第二个光发射单元发光，在t”时刻，光发射线列banka和bankb中第三个光发射单元发光，在t
”’
时刻，光发射线列banka和bankb中第四个光发射单元发光，则同一光发射线列中各光发射单元所对应的点云在水平方向有一定偏移，如图18a所示。
191.接下来，参照图17b所示的水平扫描式机械雷达非轮巡发光时通道与点云的对应关系示意图，以及图18b所示的水平扫描式机械雷达轮巡发光时通道与点云的对应关系示意图，其中，激光雷达的光发射模块tx和光探测模块对应设置，光发射模块包括垂直方向上非均匀排布的光发射线列tl1～tl4，每个光发射线列包括多个光发射单元，对应地，光探测模块rx包括垂直方向上非均匀排布的光探测线列rl1～rl4，每个光探测线列中包括多个探测单元(例如探测器)。若各光发射线列tl1～tl4中的光发射单元(例如激光器)均同时发光，对应的光探测模块rx进行探测。
192.这里所说的光发射单元(激光器)是指最小可寻址单元，例如一片vcsel上有多个同时发光的出光孔，只能合起来算一个光发射单元，只有单个或部分组的激光器可被寻址可被选通，才可以算作多个光发射单元。同样地，所述光探测单元(例如探测器)同样也是指
最小可寻址单元。若存在复用情况，则将复用的单元用导线耦接起来即可。
193.继续参照图17b，中间是点云视场角，每个点的水平位置表示水平角θ，垂直位置表示俯仰角γ，这里γ＝β。水平角随着雷达转子转动而偏移，θ＝α+ω*(n*t+δti)，其中δti为第i个通道相对于前一个测量时刻的时延，α为前一个测量时刻的水平角，t为完成全通道扫描的最小时间片t，这样，结合水平角θ及俯仰角γ，对于非轮巡发光，即可生成一帧中的一部分的点云图(垂直视场完整对应雷达的垂直fov，水平视场仅展示了3个扫描时间片t的数据)如图17b所示；对于轮巡发光，生成一帧中的一部分的点云图如图18b所示，垂直视场完整对应雷达的垂直fov，水平视场仅展示了3个扫描时间片t的数据。
194.虽然本发明实施例披露如上，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。

技术特征：
1.一种光发射模块，其特征在于，包括：第一平面支撑板；多个光发射线列构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板上，每个光发射线列包括多个光发射单元；所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，且其中至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。2.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述多个光发射线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第一平面支撑板的中部区域的光发射单元的密度大于靠近上下两侧的光发射单元的密度。3.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于，所述多个光发射线列在垂直方向上的排布密度从中间向上下两侧呈均匀变小或梯度变小的趋势。4.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于，所述光发射阵列在垂直视场角
±5°
范围内为光发射单元加密区域。5.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于，所述光发射阵列中多个光发射线列呈多列分布，不同的光发射线列中的光发射单元位于不同的行。6.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述光发射线列中各光发射单元之间的间距相同或者非均匀分布。7.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述光发射模块用于激光雷达，设置于所述激光雷达的发射端的焦平面位置，且还包括场镜，适于汇聚所述光发射单元出射的光，以把所述光发射单元所发的光拉回到所述发射端的光轴。8.根据权利要求7所述的光发射模块，其特征在于，还包括透镜组，适于偏折所述光发射单元出射的光，以使得均垂直于所述第一平面支撑板发光的激光器所出射的光可覆盖所述激光雷达的整个垂直视场。9.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述多个光发射线列形成的光发射阵列的节距大于或等于单个光发射线列的节距除以交错的列数。10.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，相邻的光发射单元的光斑的重合度略小于相邻两个光发射单元的中心距。11.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述光发射单元包括以下至少一种：垂直腔面发射激光器、光子晶体表面发射半导体激光器。12.根据权利要求1-11任一项所述的光发射模块，其特征在于，所述第一平面支撑板上设置的多个光发射线列具有相同规格或具有不同规格。13.一种光探测模块，其特征在于，包括：第二平面支撑板；多个光探测线列构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板上，每个光探测线列包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。14.根据权利要求13所述的光探测模块，其特征在于，所述多个光探测线列的排布，使得在垂直方向上靠近所述第二平面支撑板的中部区域的光探测单元的密度大于靠近上下两侧的光探测单元的密度。
15.根据权利要求13所述的光探测模块，其特征在于，所述光探测模块用于激光雷达，设置于所述激光雷达的接收端的焦平面位置，且还包括光阑及滤光片，其中：所述光阑，适于阻挡杂散光；所述滤光片，适于仅允许与所述激光雷达的发射端发出的探测光束的波长对应的光通过后入射到所述光探测单元。16.一种激光雷达，其特征在于，包括：光发射模块及与所述光发射模块对应排布的光探测模块，其中：所述光发射模块设置于发射端的焦平面上，包括：第一平面支撑板；多个光发射线列构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板上，每个光发射线列包括多个光发射单元；所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，且其中至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布；所述光探测模块设置于接收端的焦平面上，包括：第二平面支撑板；多个光探测线列构成光探测阵列，设置于所述第二平面支撑板上，每个光探测线列包括多个光探测单元，且其中至少两个光探测线列中的光探测单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。17.一种激光雷达的测距方法，其特征在于，包括：分别控制光发射阵列发出光脉冲以及控制光探测阵列接收被外界障碍物反射后的光；其中：所述光发射阵列与所述光探测阵列对应排布；所述光发射阵列包括多个光发射线列，各光发射线列均设置于第一平面上，每个光发射线列包括多个光发射单元，其出光方向垂直于所述第一平面，且在垂直方向上构成非均匀分布；所述光探测阵列包括多个光探测线列，各光探测线列均设置于第二平面上，每个光探测线列包括多个光探测单元；根据所述光探测阵列的探测数据，计算所述障碍物的位置信息，并将光探测阵列在全视场范围内的探测数据，合并成一帧，作为点云输出。

技术总结
本发明实施例提供了一种光发射模块、光探测模块、激光雷达及其测距方法，其中，所述光发射模块包括：第一平面支撑板；多个光发射线列构成光发射阵列，设置于所述第一平面支撑板上，每个光发射线列包括多个光发射单元；所述光发射单元的出光方向垂直于所述第一平面支撑板，且其中至少两个光发射线列中的光发射单元部分相互交错，在垂直方向上构成非均匀分布。采用上述方案，能够以简洁的方式实现多线激光雷达线束的非均匀分布，且满足激光雷达低功耗及小型化的需求，并降低实现成本。并降低实现成本。并降低实现成本。


技术研发人员：陈杰 向少卿
受保护的技术使用者：上海禾赛科技有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/3/8