一种光波导及激光雷达
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种光波导以及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达是自动驾驶汽车，智能交通，无人机，智能机器人的关键部件。激光雷达正从机械式激光雷达向全固态式激光雷达的方向发展，其中芯片式的光学相控阵激光雷达是固态激光雷达中最有前途的一款。光学相控阵芯片是该款激光雷达的核心组成部分，它的横向扫描角度受到两个原因的限制，一是光波导阵列的空间排布，另一个是单个光波导在空间远场的能量分布。目前受单个光波导空间远场能量分布的限制，激光雷达实际横向扫描角度只有几十度。所以，如何提高光波导发射激光的远场能量分布范围是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光波导，其发射激光的远场能量分布具有较大的角度；本发明的另一目的在于提供一种激光雷达，其发射激光的远场能量分布具有较大的角度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光波导，包括芯层和包覆所述芯层的包层；所述包层包覆芯层的出光口；
所述包层的出光侧表面中，正对所述芯层的出光口的区域设置有凹面，所述凹面的两侧沿扩展方向分别设置有凸面；所述扩展方向为所述芯层中激光在远场的扩展方向。
可选的，所述凹面与相邻所述凸面相切。
可选的，与同一所述凹面相邻的两个所述凸面的半径相同。
可选的，所述凹面两端之间连线与对应所述芯层出光口相互平行。
可选的，所述激光的远场能量分布在预设角度范围内呈均匀分布。
可选的，所述芯层呈圆柱状，所述扩展方向为平行于所述芯层出光口表面的任一方向，所述凹面为球面凹陷，与同一所述凹面相邻的凸面构成一环状凸起。
可选的，所述芯层包括一条第一波导区、与所述第一波导区连接的光分束器、分别与所述光分束器连接的多条第二波导区；任一所述第二波导区均设置有所述出光口，所述包层包覆全部所述出光口；所述包层的出光侧表面中设置有多个所述凹面，所述凹面与所述出光口一一对应。
可选的，相邻所述凹面之间共用同一所述凸面。
可选的，包括多个所述芯层，所述包层包覆全部所述芯层的出光口；所述包层的出光侧表面中设置有多个所述凹面，所述凹面与所述出光口一一对应。
本发明还提供了一种激光雷达，包括如上述任一项所述的光波导。
本发明所提供的一种光波导，包括芯层和包覆芯层的包层；包层包覆芯层的出光口；包层的出光侧表面中，正对芯层的出光口的区域设置有凹面，凹面的两侧沿扩展方向分别设置有凸面；扩展方向为芯层中激光在远场的扩展方向。凹面可以起到凹透镜的作用，从而对激光中能量最强的激光沿横向分散，以扩大激光在远场的扩散角度；而两个凸面可以起到凸透镜的作用，可以使得激光远场两侧的能量向凹面多对应的激光远场边角收集，从而可以使得激光远场能量分布在很大角度范围内较为平坦。
本发明还提供了一种激光雷达，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中光波导的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种光波导的结构示意图；
图3为图2中所发射激光的远场能量分布图；
图4为本发明实施例所提供的一种具体的芯层的结构示意图；
图5为现有技术中所发射激光的远场能量分布图；
图6为本发明实施例所提供的一种具体的光波导的结构示意图；
图7为本发明实施例所提供的另一种具体的光波导的结构示意图；
图8为本发明实施例所提供的再一种具体的光波导的结构示意图；
图9为本发明实施例所提供的还一种具体的光波导的结构示意图。
图中：1.芯层、11.波导区、111.第一波导区、112.第二波导区、113.光分束器、114.星型分束器、12.锥形区、2.包层、21.凹面、22.凸面。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种光波导。参见图1，图1为现有技术中光波导的结构示意图。在现有技术中，激光雷达的横向扫描角度受到两个原因的限制，一是光波导阵列的空间排布，另一个是单个光波导在空间远场的能量分布。目前受单个光波导空间远场能量分布的限制，单个光波导的半高宽通常仅仅有35°，这将极大的限制激光雷达的实际横向扫描角度，使得激光雷达实际横向扫描角度只有几十度。
而本发明所提供的一种光波导，包括芯层和包覆芯层的包层；包层包覆芯层的出光口；包层的出光侧表面中，正对芯层的出光口的区域设置有凹面，凹面的两侧沿扩展方向分别设置有凸面；扩展方向为芯层中激光在远场的扩展方向。凹面可以起到凹透镜的作用，从而对激光中能量最强的激光沿横向分散，以扩大激光在远场的扩散角度；而两个凸面可以起到凸透镜的作用，可以使得激光远场两侧的能量向凹面多对应的激光远场边角收集，从而可以使得激光远场能量分布在很大角度范围内较为平坦。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图2至图6，图2为本发明实施例所提供的一种光波导的结构示意图；图3为图2中所发射激光的远场能量分布图；图4为本发明实施例所提供的一种具体的芯层的结构示意图；图5为现有技术中所发射激光的远场能量分布图；图6为本发明实施例所提供的一种具体的光波导的结构示意图。
参见图2，在本发明实施例中，光波导包括芯层1和包覆所述芯层1的包层2；所述包层2包覆芯层1的出光口；所述包层2的出光侧表面中，正对所述芯层1的出光口的区域设置有凹面21，所述凹面21的两侧沿扩展方向分别设置有凸面22；所述扩展方向为所述芯层1中激光在远场的扩展方向。
上述芯层1即光波导中主要用于激光的结构，而包层2会包覆芯层1，包层2的折射率通常需要低于芯层1的折射率，从而保证激光可以在光波导内传播。通常情况下，光波导还需要包括一衬底，该衬底主要起到支撑整个光波导的作用。而包层2通常分为上包层以及下包层，下包层通常设置在衬底表面，芯层1通常位于下包层与上包层之间，使得上包层以及下包层可以共同包覆整个芯层1。有关上述包层2以及芯层1的具体材质等相关参数可以参考现有技术，在此不再进行赘述。此时，通常情况下芯层呈平面状，该芯层内传输的激光通常沿横向扩展。
在本发明实施例中，包层2需要包覆芯层1的出光口，即上述包层2需要覆盖芯层1的出光口表面，从芯层1出光口射出的激光需要先经过包层2，在传输至外界空间。相应的，包层2此时具有一出光侧表面，即覆盖芯层1出光口的表面。
上述包层2的出光侧表面中，正对芯层1的出光口的区域设置有凹面21，即从芯层1射出的激光中，能量最强的部分会通过该凹面21射入外界空间。上述设置在包层2表面的凹面21可以形成类似于凹透镜的作用，从而将从芯层1射出的激光中，能量最强的部分进行发散，从而有效增加激光在远场能量分布的角度。
参见图3，上述凹面21的两侧沿扩展方向分别设置有凸面22，而扩展方向为芯层1中激光在远场的扩展方向。即沿激光远场扩展方向，凹面21的两侧设置有凸面22，从芯层1射出的激光中，能量较弱的边缘部分会通过该凸面22射入外界空间。上述凸面22可以起到凸透镜的作用，从而将激光远场中位于两侧的，能量较低的部分激光，向从上述凹面21射出激光的远场能量分布中的边角收束。由于通常情况下，从凹面21射出激光的远场能量分布中的边角处，其能量通常较低，上述凸透镜可以堆高该边角处的能量，从而使得激光远场能量分布在很大角度范围内较为平坦。需要说明的是，上述扩展方向垂直于激光出射的方向，激光在射出包层时会沿扩展方向横向展开。
需要说明的是，在本发明实施例中上述凹面21的位置以及半径，凸面22的位置以及半径等具体参数与上述从芯层1发出的光束参数有关，例如发散角与光能量的分布情况等等。相应的，上述由凹面21以及凸面22所构成的微结构的具体参数需要根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。
参见图4，具体的，在本发明实施例中，所述芯层1包括沿光传输方向依次分布的波导区11和锥形区12，所述锥形区12的宽度沿光传输方向依次减小。此时，上述锥形区12面积最小的一侧端面即整个芯层1的出光口。由于锥形区12的出光口比较小，这样有利于使光在空间横向散开。参见图5，而从上述锥形区12出光口射出的激光在空间远场处，在不设置有本发明实施例所提供的包层2微结构时，其光场分布的半高宽通常在35°左右。相应的，在设置有本发明实施例所提供的包层2微结构时，其光场分布的半高宽通常在75°左右。
参见图6，具体的，在本发明实施例中，所述凹面21与相邻所述凸面22相切。即包层2表面设置的凹面21以及凸面22之间距离为零。此时，可以使得光波导射出的激光远场能量分布的顶端更加光滑，不会因凸面22与凹面21之间的距离而导致激光远场能量分布出现骤变。
具体的，在本发明实施例中，为了保证激光远场能量分布左右两边角的形貌大体相等，通常需要与同一凹面21相邻的两个凸面22的半径相同。进一步的，为了保证激光远场能量分布左右两侧对称，上述凹面21两端之间连线与对应所述芯层1出光口需要相互平行。此时，激光远场能量分布通常沿包层2的出光侧表面法线呈对称分布。
作为优选的，在本发明实施例中，通常调整上述芯层1、凹面21以及凸面22的具体结构，可以保证从上述包层2发出的激光的远场能量分布在预设角度范围内呈均匀分布。所谓均匀分布，并非是指激光的远场能量分布的中间段，即受到上述凹面21以及凸面22作用的角度范围内完全一致呈一条直线，该中间段内激光的远场能量分布大体处于同一区间，其波动较低，且远场能量分布的波动为均匀变化。具体的，上述预设角度范围为-20°至20°，包括端点值。即角度在-20°至20°之间，包括端点值时，本发明实施例所提供的光波导所发出的激光的远场能量分布大体呈一条直线。
本发明所提供的一种光波导，包括芯层1和包覆芯层1的包层2；包层2包覆芯层1的出光口；包层2的出光侧表面中，正对芯层1的出光口的区域设置有凹面21，凹面21的两侧沿扩展方向分别设置有凸面22；扩展方向为芯层1中激光在远场的扩展方向。凹面21可以起到凹透镜的作用，从而对激光中能量最强的激光沿横向分散，以扩大激光在远场的扩散角度；而两个凸面22可以起到凸透镜的作用，可以使得激光远场两侧的能量向凹面21多对应的激光远场边角收集，从而可以使得激光远场能量分布在很大角度范围内较为平坦。
有关本发明所提供的一种光波导的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图7，图8以及图9，图7为本发明实施例所提供的另一种具体的光波导的结构示意图；图8为本发明实施例所提供的再一种具体的光波导的结构示意图；图9为本发明实施例所提供的还一种具体的光波导的结构示意图。
区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对光波导的结构进行具体限定，其余内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
在本发明实施例中，具体提供多种光波导，每种光波导均可以射出多道激光，且每道激光的远场能量分布均具有较大角度的平坦区域。
参见图7，第一种，在本发明实施例中，包括多个所述芯层1，所述包层2包覆全部所述芯层1的出光口；所述包层2的出光侧表面中设置有多个所述凹面21，所述凹面21与所述出光口一一对应。
即多个芯层1通常会构成一激光阵列，该激光阵列及其每个芯层1的出光口均会被包层2覆盖，而在包层2的出光侧表面设置有多个凹面21，任一所述凹面21会与一出光口，在本种结构中会与一芯层1一一对应，该凹面21会正对对应的出光口设置，且每个凹面21沿扩展方向的两侧设置分别设置有凸面22。即上述每一个出光口均对应有上述发明实施例所提供的由凹面21以及凸面22所构成的微结构，任一出光口所出射的激光均会经过上述微结构。有关微结构的具体内容已在上述发明实施例中做详细介绍，有关激光阵列的具体结构可以参考现有技术，在此均不再进行赘述。
参见图8，第二种，在本发明实施例中，所述芯层1包括一条第一波导区111、与所述第一波导区111连接的光分束器113、分别与所述光分束器113连接的多条第二波导区112；任一所述第二波导区112均设置有所述出光口，所述包层2包覆全部所述出光口；所述包层2的出光侧表面中设置有多个所述凹面21，所述凹面21与所述出光口一一对应。
即在本种结构中，通过设置光分束器113将一条在上述波导区11分为第一波导区111与第二波导区112，并在其之间加入光分束器113，有关光分束器113的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。光分束器113可以将在第一波导区111内传输的激光分束到多条第二波导区112，从而实现多条激光同时射出光波导。上述第二波导区112均具有一出光口，每个出光口均会被包层2覆盖，而在包层2的出光侧表面设置有多个凹面21，任一所述凹面21会与一出光口一一对应，该凹面21会正对对应的出光口设置，且每个凹面21沿扩展方向的两侧设置分别设置有凸面22。即上述每一个出光口均对应有上述发明实施例所提供的由凹面21以及凸面22所构成的微结构，任一出光口所出射的激光均会经过上述微结构。有关微结构的具体内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此均不再进行赘述。
参见图9，具体的，在本发明实施例中，上述光分束器113可以为星型分束器114，此时可以设置更多条第二波导区112，从而实现更多激光的同时出射。有关光分束器113的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
由于上述任意结构均具有多个出光口，相应的均会在包层2表面设置多个凹面21。作为优选的，在本发明实施例中，通过调整上述出光口之间的间距，可以使上述相邻所述凹面21之间共用同一所述凸面22。即沿扩展方向会构成凹面21与凸面22的一一交替设置。此时，相邻两个出光口所发出的激光的远场能量分布中，位于能量边角处的激光会经过同一凸面22出射，从而使得相邻激光的远场能量分布会在边角处重叠，进而使得出射的激光阵列的远场能量分布在叠加之后可以实现均匀分布。
具体的，在本发明实施例中，光波导可以为光纤。即在本发明实施例中，所述芯层1呈圆柱状，所述扩展方向为平行于所述芯层1出光口表面的任一方向，所述凹面21为球面凹陷，与同一所述凹面21相邻的凸面22构成一环状凸起。当光波导为光纤时，上述芯层1会呈圆柱状，此时从芯层1出光口射出的激光不仅仅会横向扩展，而是向四周扩散。即从圆柱状芯层1射出的激光会向四周扩展，此时该激光的扩展方向是沿平行于芯层1出光口一平面中的任意一条直线方向扩展，即上述扩展方向为平行于芯层1出光口表面的任一方向。此时，对应同一凹面21的凸面22，即与同一凹面21相邻的凸面22会构成一环状凸起，以实现对激光远场能量分布进行调整。相应的，该圆柱状芯层1所对应的凹面21具体为一球面凹陷，该球面凹陷具体会位于上述环状凸起中间，该球面凹陷的底部中心通常正对于圆柱状芯层1。
本发明实施例所提供的一种光波导，可以设置多个出光口，从而实现激光阵列的出射；而通过调整出光口之间的间距，使相邻凹面21之间共用同一凸面22时，可以使得出射的激光阵列的远场能量分布在叠加之后可以实现均匀分布。
本发明还提供一种激光雷达，该激光雷达具体设置有上述任一种发明实施例中所提供的光波导，该光波导通常设置在激光雷达的出射口。有关光波导的详细内容请参照上述发明实施例，有关激光雷达的其余结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
本发明实施例所提供的激光雷达，由于其光波导结构可以使得激光远场能量分布在很大角度范围内较为平坦，从而具有较大的测量角度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种光波导以及一种激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
