CN111164451A - 通过空间滤波减少环境光的扫描激光雷达***及方法 - Google Patents

通过空间滤波减少环境光的扫描激光雷达***及方法 Download PDF

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Abstract

根据一个方面，一种光收发器包括基板和激光器，该激光器固定到基板的第一表面，激光器产生输出光，以沿着发射轴线发射到区域中。光学检测元件固定到基板的与第一表面相背对的第二表面，光学检测元件通过基板的第一表面和第二表面之间的基板中的开口沿着接收轴线接收从区域反射的输入光，发射轴线和接收轴线基本平行。

Description

通过空间滤波减少环境光的扫描激光雷达***及方法
背景技术
1.技术领域
本公开涉及激光雷达(LiDAR)检测***，并且特别地，涉及通过空间滤波减少环境光的扫描激光雷达***及方法。
2.相关领域
典型的激光雷达检测***包括光辐射源(例如激光器，其将光发射到区域中)。可包括一个或多个光检测器和/或光检测器的阵列的光学检测装置从该区域接收反射光并且将该反射光转换为电信号。处理装置处理电信号以识别并生成与该区域中的一个或多个目标对象相关联的信息。该信息可包括例如每个目标对象的方位、距离、速度和/或反射率信息。
激光雷达检测***的一个非常重要的应用是在汽车中，其中对象检测可以促进各种功能，诸如停车辅助功能、交叉路口警告功能、盲点检测功能、自动驾驶车辆操作以及许多其他功能。在汽车激光雷达检测***中，通过相同的***配置能够同时检测近距离的明亮对象和长距离的低反射率对象是重要的。
发明内容
根据一个方面，提供了一种光收发器装置。光收发器装置包括基板和激光器，该激光器固定到基板的第一表面，该激光器产生输出光，以沿着发射轴线发射到区域中。光学检测元件固定到所述基板的与所述第一表面相背对的第二表面，所述光学检测元件通过所述基板的所述第一表面和所述第二表面之间的所述基板中的开口沿着接收轴线接收从所述区域反射的输入光，所述发射轴线和所述接收轴线基本平行。
在一些示例性实施方案中，发射轴线和接收轴线基本上为相同的轴线。
在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括掩模，该掩模具有与基板的开口对准的至少一个狭缝，使得由检测元件从区域接收的反射光穿过狭缝。掩模可以形成在基板的第一表面处。替代地，掩模可以形成在基板的第二表面处。
在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括带通滤光器，从该区域返回的光投射在带通滤光器上，使得从该区域返回的光被带通滤光器滤波。带通滤光器可以具有随温度漂移的波长通带，选择带通滤光器，使得根据输出光的波长的温度漂移来确定带通滤光器的通带的温度漂移。
在一些示例性实施方案中，光学检测元件包括硅光电倍增器(SiPM)检测器。在其他示例性实施方案中，光学检测元件包括多像素光子计数器(MPPC)检测器。在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括掩模，该掩模具有与基板的孔径对准的至少一个狭缝，使得由检测器从该区域接收的反射光在到达检测器之前穿过狭缝。掩模可以形成在基板的第一表面处。替代地，掩模可以形成在基板的第二表面处。
在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括在激光器与检测器之间的光路上的偏振分束器，输出光和输入光二者至少部分地穿过偏振分束器。
在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括在激光器与检测器之间的光路中的偏振分束器，输出光和输入光中的至少一者至少部分地穿过偏振分束器。
在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括固定到基板的第一表面的多个激光器，输出光包括由多个激光器产生的相应的多个光束。在一些示例性实施方案中，光收发器装置还包括扫描装置以用于在该区域上扫描多个光束。扫描装置可以包括扫描镜。扫描镜可以是微机电***(MEMS)扫描镜。
在一些示例性实施方案中，光学检测元件包括光检测器阵列。光检测器可以包括硅光电倍增器(SiPM)。光检测器可以包括多像素光子计数器(MPPC)。光检测器阵列可以是二维阵列。
光收发器装置可以是汽车激光雷达检测***的一部分。激光雷达检测***可以是同轴***。
根据另一方面，提供了一种光收发器装置。光收发器装置包括第一基板和激光器，该激光器固定到第一基板，激光器产生输出光，以沿着发射轴线发射到区域中。光收发器装置还包括第二基板和支撑结构，该支撑结构固定到第一基板和第二基板，支撑结构机械地支撑第一基板和第二基板。光学检测元件固定到第二基板，光学检测元件通过支撑结构中的开口沿着接收轴线接收从区域反射的输入光。具有至少一个狭缝的掩模固定到支撑结构，该狭缝与支撑结构中的开口对准，使得光学检测元件从区域接收的反射光在到达光学检测元件之前穿过狭缝。
附图说明
参考指明的多个附图，以本公开的实施方案的非限制性示例的方式，在后续的具体实施方式中进一步描述了本公开，其中在附图的若干个视图中类似的附图标号表示类似的部件。
图1包括根据示例性实施方案的扫描激光雷达***的示意性功能框图。
图2A和图2B包括示出图1的扫描激光雷达***的部分的示意性功能图。具体地，图2A和图2B分别示出了根据示例性实施方案的针对扫描镜的第一角度扫描方向和扫描镜的第二相反角度扫描方向将发射的光信号扫描到区域中以及接收返回光信号。
图3包括根据示例性实施方案的图1、图2A和图2B的扫描激光雷达***的接收子***的示意图。
图4包括根据示例性实施方案的在图3的接收子***中的掩模的示意图。
图5包括根据示例性实施方案的在图3的接收子***中的检测器阵列的一部分的示意性正视图。
图6包括根据示例性实施方案的其中执行水平和竖直扫描的扫描激光雷达***的示意性功能框图。
图7包括根据示例性实施方案的图6的在其中执行水平和竖直扫描的扫描激光雷达***的接收子***的示意图。
图8包括根据示例性实施方案的示出了在执行竖直和水平扫描的情况下在图7的接收子***的检测器阵列上扫描的光束的图案的示意图。
图9A和图9B包括根据一些示例性实施方案的示出了在其中实现同轴配置的扫描激光雷达***的部分的示意图。
图10A和10B包括根据一些示例性实施方案的示出了在其中实现同轴配置的扫描激光雷达***的部分的示意图。
图11包括根据一些示例性实施方案的示出了本文所述的任何同轴扫描激光雷达***的示意图。
图12包括根据一些示例性实施方案的示出了在其中实现同轴配置的扫描激光雷达***的一部分的示意图。
图13A和13B包括根据一些示例性实施方案的示出了在其中使用分立的激光器和分立的检测器的同轴扫描激光雷达***的两种配置的示意性截面图。
图14A包括根据一些示例性实施方案的示出了同轴扫描激光雷达***的配置的示意性截面图。
图14B包括根据一些示例性实施方案的图14A的同轴扫描激光雷达***的示意性顶视图。
图15A和图15B包括根据一些示例性实施方案的在多个多激光器阵列和多个检测器中使用激光的多路复用的扫描激光雷达***的一部分的示意性顶视图。
图16A包括根据一些示例性实施方案的示出了同轴扫描激光雷达***1000的配置的示意性透视图。
图16B包括根据一些示例性实施方案的图16A的同轴扫描激光雷达***的示意性截面视图。
图16C包括根据一些示例性实施方案的图16A和图16B的同轴扫描激光雷达***的示意性顶视图。
图17包括根据一些示例性实施方案的配备有本文详述的一个或多个激光雷达***的汽车的示意性透视图。
图18包括根据一些示例性实施方案的配备有如本文详述的两个激光雷达***的汽车的示意性顶视图。
具体实施方式
本文详述的扫描激光雷达检测***可以是与本申请相同的受让人于2017年1月19日提交的共同未决的美国专利申请号15/410,158中描述的类型，其全部内容通过引用并入本文。根据示例性实施方案，本公开的扫描激光雷达检测***组合了具有长检测距离和高分辨率的宽视场。为了在双轴***(即，其中发射光轴与接收光轴不相同的***)中实现此目的，在***中组合了各种特征。
例如，本***包括高灵敏度检测器，其可检测从长距离反射回的相对少量的光子。而且，本***的检测装置(即检测器阵列)具有相对较大的尺寸，因此提供了从相对宽的视场收集返回光的光学孔径。本公开的检测***(即检测器阵列)具有相对较高的带宽，以允许捕获相对较短持续时间的光脉冲。在一些特定的示例性实施方案中，波形是脉冲重复频率(PRF)为50-150MHz的脉冲调频连续波(FMCW)信号。在50％的占空比下，光脉冲持续时间可以是3.3-10ns，其被本公开的高带宽检测器阵列捕获。
另外，已知环境光(诸如阳光)会在检测***中引起散粒噪声。根据本公开，大大减少了投射在检测***上的环境光(例如阳光)的量。动态范围被最大化，因此可以通过相同的配置检测在短距离处的明亮对象和在长距离处的低反射率对象。
因此，本公开的扫描激光雷达***通过与远场激光图案匹配的空间滤波减少了可到达检测***的在短距离处的对象的环境光和信号光的量。这样使得在白天条件下在长距离处将大灵敏度检测器、窄激光束和高信噪比(SNR)进行组合。
根据本公开，在检测***(即激光雷达传感器)中的接收器透镜的焦平面中定位固定或移动掩模。掩模包括一组狭缝，并且与发射器的扫描图案对准。这使得能够在光检测器阵列中使用雪崩光电二极管检测器(APD)。在替代实施方案中，可在光检测器阵列中使用硅光电倍增器(SiPM)，也称为多像素光子计数器(MPPC)。SiPM阵列是光敏微单元的阵列，每个微单元采用二进制单光子计数模式。替代地，阵列中的APD是模拟部件，即，不以盖革/光子计数模式操作。该阵列在较大的检测器面积上提供了很高的增益并且与模拟输出和大带宽组合。
本公开的激光雷达***将环境光减少5至500的系数，并且典型地减少5至50的系数。这导致SNR增大，并且白天条件的范围增大。由于焦点相对于距离的变化，***增加了动态范围。在SiPM的情况下，由于部件的非线性，增加了APD或SiPM的有效灵敏度。根据一些示例性实施方案，在本公开的激光雷达***聚焦于无穷远的情况下，透镜的焦平面与掩模中的狭缝重合。焦点随着到目标对象的距离变化而移动。在长距离处，像平面将与放置掩模的透镜焦平面重合。在更近的距离处，像平面将移动离开透镜的焦平面，即，离透镜更远。这意味着大量的光将被狭缝阻挡，因此，在近距离处的信号电平大大降低，从而导致动态范围增大。
图1包括根据示例性实施方案的扫描激光雷达***100的示意性功能框图。参见图1，***100包括数字信号处理器和控制器(DSPC)102，其执行实现本文详述的激光雷达检测功能所需的所有控制和信号处理。光源104在DSPC 102的控制下经由一个或多个控制信号116进行操作以生成发射到被分析的区域106中的一个或多个光信号。在其他功能中，控制信号116可提供执行波形整形的必要控制，诸如，在一些示例性实施方案中，提供脉冲调频连续波(FMCW)调制包络控制以产生一些示例性实施方案的脉冲FMCW光信号。光源104可包括单个激光器，或者光源104可包括可以以一维或二维阵列布置的多个激光器。来自源104的一个或多个光信号108(其可以是一些示例性实施方案的脉冲FMCW光信号)投射在扫描镜110上，该扫描镜可以是微机电***(MEMS)扫描镜。扫描镜110可通过致动器112绕轴线114旋转，该致动器在DSPC 102提供的一个或多个控制信号117的控制下操作以控制扫描镜110的旋转角度，使得一个或多个输出光信号以各种角度被扫描进入区域106。输出光信号通过透镜或玻璃板122，该透镜或玻璃板产生一个或多个准直光信号，该信号在区域106上被扫描。
在接收子***118处从区域106接收返回光信号125。接收子***118包括透镜120，该透镜接收并且聚焦从区域106返回的光125。根据示例性实施方案，掩模124位于透镜120的焦平面处，使得返回光聚焦在掩模124处。穿过掩模124的光投射在光检测器阵列126上，该光检测器阵列在一些示例性实施方案中可包括SiPM或MPPC光电倍增器。检测器阵列126将接收到的光信号转换为电信号，并且处理器128基于电信号生成数字信号，并且将数字信号130发射至DSPC 102以进行处理以发展目标对象识别、跟踪和/或其他操作。可经由I/O端口132向一个或多个用户界面或存储器或其他功能执行检测报告。
图2A和图2B包括根据示例性实施方案的示出了图1的扫描激光雷达***100的部分的示意性功能图。图2A和图2B分别示出了针对扫描镜110围绕轴线114的第一角度扫描方向和扫描镜110围绕轴线114的第二相反角度扫描方向将发射的光信号扫描到区域106中以及接收返回光信号。
参见图1、图2A和图2B，光源104可包括沿平行轴线设置的一个或多个激光器线性阵列。即，激光器的每个线性阵列包括沿着竖直轴线(即y轴)设置的多个激光器。在图2A和图2B所示的示例性实施方案中，沿着y轴方向上的平行轴线设置两个线性阵列。轴线沿着水平轴线(即x轴)移位。另外，两个线性激光器阵列也沿着竖直方向(y轴)移位，以产生不同的仰角。替代地，线性激光器阵列可绕x轴旋转以便产生不同的仰角。因此，如图2A和图2B所示，两个平行的线性激光器阵列产生正交于x-y平面发射的激光输出的二维阵列。在一些特定的示例性实施方案中，两个线性阵列中的每个包括沿着y轴设置的8个激光器，二维阵列中总共有16个激光器。将理解，根据本实施方案，可使用任何数量的激光器。例如，在一些特定的示例性实施方案中，使用11个激光器的两个线性阵列，即总共22个激光器。
继续参见图1、图2A和图2B，在一些示例性实施方案中，来自源104中的激光器阵列的光输出信号被透镜111聚焦到MEMS扫描镜110上。光信号通过玻璃板或透镜122从扫描镜110反射，这产生基本相互平行的准直光输出信号123。扫描镜110经由致动器112和DSPC102的受控旋转在区域106上扫描准直光输出信号123。输出信号或光束123构成光束123的扇形，其中每个光束是准直的。在一些特定的示例性实施方案中，扇形角度可以是15°至22°。在一些替代实施方案中，光束123基本相互平行。从区域106返回的光125(例如从一个或多个目标对象反射的光)在接收子***118的透镜120处被接收。透镜120将返回光125聚焦到掩模124上，该掩模位于光检测器阵列126的前面，如图2A和图2B所示，光检测器阵列可以是例如32×8的APD阵列。如上所述，检测器阵列126中的检测器也可以是SiPM。因此，在特别示出的示例性实施方案中，布置32×8SiPM检测器以提供焦平面检测器。检测器阵列126将接收到的光信号转换为电信号，并且处理器128基于电信号生成数字信号，并且将数字信号130发射至DSPC 102以进行处理以发展目标对象识别、跟踪和/或其他操作。可经由I/O端口132向一个或多个用户界面或存储器或其他功能执行检测报告。
因此，如图2A和图2B所示，在一些特定的示例性实施方案中，两个1×8激光器阵列被用于产生16个单独的激光束，每个光束的标称发散度<0.1°。8个光束的组的竖直发散度名义上大约为15°。扫描镜110被控制成从其中心位置扫描经过大约60°的标称范围(即±30°)。这些角度极限示出在图2A和图2B的x-y平面图中。图2A示出了其中经由扫描镜110在第一角度方向上的角度旋转而在第一方向(至图2A中的右侧)上扫描输出光信号123的情况，并且图2B示出了其中经由扫描镜110在第二角度方向上的角度旋转而在第二方向(至图2B中的右侧)上扫描输出信号123的情况。跨32×8检测器阵列126的列扫描得到的返回光信号，从而以通过将输出光信号123扫描到区域106中确定的预定顺序照亮该阵列中的像素，分别如图2A和图2B的像素照明扫描137和139的示意图所示。将理解，所有这些参数都是示例性标称值。根据本公开，可以使用任何数量的激光器，其组光束发散度大于或小于15°，并且角度扫描极限距扫描镜110的中心位置可大于或小于±30°。
根据示例性实施方案，由于检测器阵列在竖直(y)方向上具有8个检测器，所以一次仅打开一个竖直线性阵列(即，列)。即，与激光扫描同步地一次一列地读出检测器阵列126。由于一次仅一列检测器在接收，因此这种时分多路复用提供“卷帘快门”，该卷帘快门限制了环境光(即阳光)的影响。另外，以狭缝的二维阵列形式实现的掩模124被放置在检测器阵列126的前面，以进一步减少到达检测器阵列126的环境光的量。
图3是根据示例性实施方案的接收子***118的示意图。参见图3并且参考前面对图1、图2A和图2B的详述，从区域106返回的光125投射在透镜120上。掩模124放置在透镜120的焦平面处，以使光125聚焦在掩模124处。穿过掩模124的光被接收在检测器阵列126处。
图4包括根据一些示例性实施方案的掩模124的示意图。掩模124包括不透光部分140和多个透光水平狭缝142a-142p。应注意，16个狭缝的使用与本文所述的特定说明性示例性实施方案一致，在该示例性实施方案中，其中光源104包括两个线性阵列，每个线性阵列具有8个激光器。将理解，在使用不同的激光器配置或数量的情况下，掩模124将包括不同数量的狭缝142。例如，在源104包括11个激光器的两个线性阵列的情况下，掩模124将包括22个狭缝142。
参见图4，应注意，交替的狭缝142与源104中的相同线性激光器阵列相关联。即，具体地，交替的狭缝142a至142h中的每个与由源104中的激光器的竖直线性阵列之一中的八个激光器中的相应一个所产生的返回光相关联，并且交替的狭缝142i至142p中的每一个与由源104中的激光器的另一竖直线性阵列中的八个激光器中的相应一个产生的返回光相关联。根据一些示例性实施方案，源104的激光器的线性阵列相对于彼此竖直地偏移。结果，狭缝142a-142h和142i-142p的交替组在掩模124上相对于彼此竖直偏移，使得与每个激光器相关联的返回光与其对应的狭缝对准。
掩模124可以由各种可能的材料中的一种制成，诸如塑料、金属、金属箔或其他材料。可以通过激光在掩模124中形成狭缝142。在其他实施方案中，可以通过光刻工艺形成不透光部分140和狭缝142。例如，不透光部分140可以由光敏感不透光材料形成，并且狭缝142可以通过选择性地曝光光敏感不透光材料来形成，例如通过图案化掩模、随后进行适当的显影和进一步处理以产生透光狭缝142。
图5包括根据一些示例性实施方案的检测器阵列126的一部分的示意性正视图。参见图5，示出了八行的四个检测器126a。即，为了图示和说明的清楚，示出了检测器阵列126中的256个检测器126a中的32个。如上所述，根据本公开，每个检测器126a可以是APD或SiPM。图5还示出了在被透镜120聚焦并且穿过掩模124中的狭缝142之后从区域返回的光125的接收脉冲。这些接收脉冲在图5中显示为沿着检测器126a的阵列126的虚线。具体地，虚线152a至152h示出分别穿过掩模140的狭缝142a至142h之后投射在阵列126上的返回光125的脉冲。类似地，虚线152i至152p示出分别穿过掩模140的狭缝142i至142p之后投射在阵列126上的返回光125的脉冲。因此，参见图1至图5，由于源104中的激光器的线性阵列之间的竖直y轴偏移，所以阵列126的每个检测器126a接收并且处理来自多个激光器(例如，如图5所示的两个激光器)的光，光穿过掩模124中的相应多个狭缝142(例如两个狭缝)。
因此，根据本公开，在一些示例性实施方案中，具有2N个水平狭缝的掩模124被放置在检测器126a的检测器阵列126的前面，该阵列126在竖直方向(即y方向)上具有N个检测器126a。掩模124与2N个水平交替扫描激光束的扫描图案对准。继续参见图5，在一些特定的示例性实施方案中，狭缝142可以与衍射极限所允许的一样小，即，λXf数～1μm。在一些实施方案中，由于对准公差，狭缝142的宽度可以是□0.1mm。每1mm2的检测器元件126a有两个0.1mm的狭缝142，环境光被减小标称系数5倍，但系数也可能为□500。
根据示例性实施方案，阵列126是APD或SiPM的阵列，其提供了某些优点和改进。例如，检测器元件126a的大尺寸和短响应时间为阵列126提供了大的检测面积。这继而使得接收子***透镜具有较大的光收集孔径。增加的光提供更好的信噪比(SNR)和更长的距离。而且，在掩模124处于聚焦而检测器阵列126未聚焦的情况下，避免了检测器元件126a的局部饱和。这导致动态范围增加，并且在高水平的环境光下进一步提高了性能。
根据示例性实施方案，在掩模120位于透镜120的焦平面中的情况下，所有信号光在长距离处穿过掩模124中的狭缝142。没有掩模124的情况下，光信号强度将与距离的平方成反比地变化。因此，在短距离处，信号强度会非常高，这可能导致***动态范围下降。如本文中详述的在***掩模124的情况下，在短距离处的返回光中仅一小部分穿过狭缝142，这消除了由从短距离目标对象返回的光引起的动态范围的减小。
在一些实施方案中，除了如上详述的水平扫描之外，还可以竖直地进行扫描。可以执行竖直扫描以增加竖直分辨率。图6包括根据示例性实施方案的在其中执行水平和竖直扫描的扫描激光雷达***100A的示意性功能框图。图7包括根据示例性实施方案的图6的在其中执行水平和竖直扫描的扫描激光雷达***100A中的接收子***118A的示意图。参见图6和图7，与图1、图2A、图2B和图3中的元件基本相同的元件由相同的附图标记表示。参见图6和图7，在该实施方案中，致动器112A除了启动和控制扫描镜110A绕竖直轴线114的水平扫描之外，还启动和控制扫描镜110A绕水平轴线114A的竖直扫描。在该替代实施方案中，掩模124也与扫描镜110A的竖直扫描同步地竖直交替地上下移动，如图7中的箭头200所示。掩模124的竖直运动由机械致动装置(诸如压电致动器202)与扫描镜110A的扫描同步地启动，从而保持掩模124的狭缝142与返回光125的对准。该同步是经由与DSPC 102的接口204完成的。
图8是根据示例性实施方案的示出在使用竖直和水平扫描的情况下在检测器阵列126上扫描的光束的图案的示意图。参见图8，在一些实施方案中，如扫描图案所示，在每个水平扫描线的端部，扫描镜110A竖直地旋转一步。同时，掩模124竖直移动以确保掩模124中的狭缝142对准。如图8所示，由竖直扫描增量分隔的水平扫描线的这种处理导致光束的蛇形图案投射在检测器阵列126上。
在前面的详述中，示例性实施方案的扫描激光雷达***100、100A被示为具有双轴配置。即，***100、100A被图示和描述为具有分开的输出(发射)轴线和输入(接收)轴线。输出信号123沿着第一轴线被发射到区域106中，并且沿着不同于第一轴线的第二轴线从该区域106中接收返回光信号125。本公开还适用于其中输入轴线和输出轴线基本相同的同轴***配置。
图9A和图9B包括根据一些示例性实施方案的示出在其中实现同轴配置的扫描激光雷达***200的部分的示意图。图9A示出了单个同轴配置，并且图9B示出了平行的多个同轴配置。参见图9A和图9B，集成在基板306上或中的激光光源304产生输出光束。输出光束被偏振分束立方体302反射，使得输出信号323被发射到区域106中。来自区域106的返回光信号325被发射穿过分束立方体302，穿过基板306中的开口308。光可以穿过可选的带通滤光器305，这进一步减少了环境光。在一些示例性实施方案中，带通滤光器305通过其波长带通的漂移进行表征，该漂移取决于温度。激光光源304还可在其输出的波长上具有温度相关的漂移。在一些示例性实施方案中，激光光源304的温度漂移和带通滤光器305的温度漂移是匹配的，从而大大降低了对整个***的操作的温度影响。
图10A和图10B包括根据一些示例性实施方案的分别示出其中实现同轴配置的扫描激光雷达***300A和300B的部分的示意图。图10A和图10B的***300A、300B之间的主要区别在于，在***300A中，掩模324在基板306下方，而在***300B中，掩模324在基板306的顶侧。在***300A和300B中，来自偏振分束立方体302的入射光穿过掩模324中的狭缝342，并且投射到APD或SiPM检测器326上。在图10A和图10B的实施方案中，透镜322产生基本相互平行的准直光输出信号323A。扫描镜的受控旋转在被分析的区域上扫描基本相互平行的准直光输出信号323A。
图11包括示出***200、300A，300B中的任何一个的示意图，示出了开口308或狭缝342与激光光源304的光瞳之间的尺寸关系。如在以上详述的实施方案中，在图11的实施方案中，透镜322生成准直光输出信号323A。扫描镜的受控旋转在被分析的区域上扫描准直光输出信号323A。光输出信号或光束323A构成光束323A的扇形，其中每个光束为准直的。在一些特定的示例性实施方案中，扇形角度可以是15°至22°。在一些替代实施方案中，光束323A基本相互平行。
应当注意，在上述结合图9A、图9B、图10A、图10B和图11详述的实施方案中的偏振分束立方体302不必是立方体。在替代实施方案中，可以用相对于各个***的光路倾斜适当角度的偏振分束板代替偏振分束立方体302。
图12包括根据一些示例性实施方案的示出了在其中实现同轴配置的扫描激光雷达***400的一部分的示意图。***400与***200、300A和300B的不同之处在于，在***400中，不包括分束立方体。相反，激光光源404通过诸如双折射晶体409和透镜411的光学元件在竖直方向上将输出光323提供到区域106中。返回光325穿过透镜411和双折射晶体409，使得返回光被移位以朝向检测器阵列穿过基板406中的孔径408。双折射晶体409不同地影响光的两个偏振方向。一个方向是横向移位的，而另一个方向是不移位的。因此，双折射晶体409用作偏振分束器。双折射晶体409可由诸如方解石的材料或其他类似材料制成。
根据示例性实施方案，诸如图9A、图9B、图10A、图10B、图11和图12所示的同轴***200、300A，300B和400的同轴扫描激光雷达***可以使用选择的配置来实现，该选择的配置可以包括一个或多个激光器、偏振分束器、孔径或狭缝、滤光器和检测器的组合。例如，配置可以根据激光器和孔径或开口子组件和/或检测器的类型和配置而变化。在一些实施方案中，一个或多个激光器可以是分立的激光器。在其他实施方案中，可以使用多个激光器的一个或多个阵列。类似地，在检测器的情况下，可以使用一个或多个分立的检测器，诸如APD或SiPM。在其他实施方案中，可以使用检测器的一个或多个阵列，诸如APD或SiPM的阵列。
图13A和图13B包括根据一些示例性实施方案的分别示出了在其中使用分立的激光器和分立的检测器的同轴扫描激光雷达***600和700的两种配置的示意性截面图。参见图13A，激光光源604集成在基板606上或上方，由例如印刷电路板(PCB)材料、环氧树脂、金属或类似材料制成的惰性间隔材料层605安装在它们之间。激光光源604产生投射在分束立方体602上的输出光束607，使得输出信号623被发射到区域106中。来自区域106的返回光信号被发射通过分束立方体602，通过掩模624中的狭缝642，然后通过基板606中的开口608。应当注意，分束立方体602可以是偏振分束立方体。还应当注意，与上述实施方案一样，分束立方体602或偏振分束立方体602不必是立方体。它可以是相对于一个或多个光路倾斜适当角度的分束板或偏振分束板。来自狭缝642的光束625穿过基板606中的开口608，并被安装到基板606底侧的检测器626检测。在一些示例性实施方案中，检测器626是安装到基板606的底表面的表面安装装置。应当注意，在一些示例性实施方案中，激光光源604是沿着基本上垂直于图13A的页面定向的轴线平行设置的激光光源阵列中的一个。类似地，偏振或非偏振分束立方体或板602可以是沿着垂直于页面的同一轴线延伸的单个长立方体或板、或多个立方体或板。类似地，检测器626可以是沿着垂直于页面的同一轴线延伸的单个长检测器或检测器阵列、或多个检测器或检测器阵列。在一些示例性实施方案中，一个或多个检测器或检测器626的一个或多个阵列可以是SiPM或MPPC检测器。
参见图13B，激光光源704集成在基板706上或上方，由例如印刷电路板(PCB)材料、环氧树脂或其他类似材料制成的惰性间隔材料层705安装在它们之间。激光光源704产生投射在分束立方体702上的输出光束707，使得输出信号723被发射到区域106中。来自区域106的返回光信号被发射通过分束立方体702，通过掩模724中的狭缝742。应当注意，分束立方体702可以是偏振分束立方体。还应当注意，与上述实施方案一样，分束立方体702或偏振分束立方体702不必是立方体。它可以是相对于一个或多个光路倾斜适当角度的分束板或偏振分束板。来自狭缝742的光束725被安装到第二基板728的顶侧或表面的检测器726检测。第一基板706和第二基板728由安装/间隔支撑层709机械地支撑并且相对于彼此适当地定位。安装/间隔支撑层709可以由例如惰性间隔材料层制成，该惰性间隔材料层例如由印刷电路板(PCB)材料、环氧树脂、金属或其他类似材料制成。选择安装/间隔支撑层709的物理配置(即尺寸、位置)等，以在诸如激光光源704、分束立方体702、第一基板706、第二基板728、掩模724和狭缝742的部件之间提供适当的支撑和稳定性，从而满足***700的性能要求。
应当注意，在一些示例性实施方案中，激光光源704是沿着基本上垂直于图13B的页面定向的轴线平行设置的激光光源阵列中的一个。类似地，偏振或非偏振分束立方体或板702可以是沿着垂直于页面的同一轴线延伸的单个长立方体或板、或多个立方体或板。类似地，检测器726可以是沿着垂直于页面的同一轴线延伸的单个长检测器或检测器阵列、或多个检测器或检测器阵列。在一些示例性实施方案中，一个或多个检测器或检测器726的一个或多个阵列可以是SiPM或MPPC检测器。
图14A包括根据一些示例性实施方案的示出了同轴扫描激光雷达***800的配置的示意性截面图。图14B包括根据一些示例性实施方案的图14A的同轴扫描激光雷达***800的示意性顶视图。参见图14A和图14B，***800包括在第一基板或板806的相背对侧上的两个激光光源或激光光源阵列804A、804B。激光光源804A-1至804A-11产生输出光束807A，这些光束投射在分束立方体802上，从而使输出信号823A发射到区域106中。来自区域106的返回光信号发射通过分束立方体802，通过掩模824A中的狭缝842A。应当注意，分束立方体802可以是偏振分束立方体。还应当注意，与上述实施方案一样，分束立方体802或偏振分束立方体802不必是立方体。它可以是相对于一个或多个光路倾斜适当角度的分束板或偏振分束板。来自狭缝842A的光束825A由安装到第二基板828的顶侧或表面的检测器826A-1至826A-11检测。在一些示例性实施方案中，一个或多个检测器或检测器826A和826B的一个或多个阵列可以是SiPM或MPPC检测器。
类似地，激光光源804B-1至804B-10(在第一基板806的背表面上看不到)产生输出光束807B，这些光束投射在分束立方体或板802上，从而使输出信号823B发射到区域106。来自区域106的返回光信号发射通过分束立方体802，通过掩模824B中的狭缝842BA。来自狭缝842B的光束825B由安装到第二基板828的顶侧或表面的检测器826B-1至826B-10检测。
第一基板806和第二基板828由安装/间隔支撑层809机械地支撑并且相对于彼此适当地定位。安装/间隔支撑层809可以由例如惰性间隔材料层制成，该惰性间隔材料层例如由印刷电路板(PCB)材料、环氧树脂、金属或其他类似材料制成。选择安装/间隔支撑层809的物理配置(即尺寸、位置)等，以在诸如激光光源804A和804B、分束立方体或板802、第一基板806、第二基板828、掩模824A和824B、狭缝842A和842B的部件之间提供适当的支撑和稳定性，从而满足***800的性能要求。
应当注意的是，图14A和图14B的示例性实施方案包括在基板806的顶侧上的十一(11)个检测器和在基板806的底侧上的十(10)个检测器。将理解，这些数量仅被选择为示例性说明。可以使用其他数量的检测器。
图15A和图15B包括在多个多激光器阵列装置901A、901B、901C、901D和在相应的多个分束立方体或板902A、902B、902C、902D下方的相应多个检测器阵列926A、926B、926C、926D中使用激光的多路复用的扫描激光雷达***的一部分的示意性顶视图。在一些示例性实施方案中，一个或多个检测器或检测器926A、926B、926C、926D的一个或多个阵列可以是SiPM或MPPC检测器。应注意，在示例性实施方案中，所有多激光器阵列装置901A、901B、901C、901D是相同的。因此，为了描述的容易和清楚起见以及避免不必要的冗余，将仅描述装置之一。多激光器阵列装置901A包括多个，例如四(4)个激光光源904A、904B、904C、904D。每个激光光源904A、904B、904C、904D的激活由各自的激活功率和时序/控制电路905A、905B、905C、905D控制。在一些示例性实施方案中，以时分多路复用的方式控制激光光源904的激活，使得一次每个多激光器阵列装置901中仅单个激光光源904是激活的。结果，一次只有单个对应的检测器926主动接收信号。在图15A所示的时刻，每个第一激光光源904A是激活的，如从所有四个激光光源904A输出的激光光束所指示的。如图15B所示，在稍后的某个时刻，每个第四激光光源904D是激活的，如从所有四个激光光源904D输出的激光光束所示。用于激活激光光源的这种激光多路复用方法适用于本文所述的任何实施方案。
图16A包括根据一些示例性实施方案的示出了同轴扫描激光雷达***1000的配置的示意性透视图。图16B包括根据一些示例性实施方案的图16A的同轴扫描激光雷达***1000的示意性截面视图。图16C包括根据一些示例性实施方案的图16A和图16B的同轴扫描激光雷达***1000的示意性顶视图。参见图16A至图16C，***1000包括在第一基板或板1006上的激光光源或激光光源1000的阵列。激光光源1004产生投射在分束板1002上的输出光束，从而将输出信号发射到区域106中。来自区域106的返回光信号发射通过分束立方体1002，通过机械支撑结构1009中的开口1003以及通过附接到机械支撑结构1009的表面的掩模1024中的狭缝1042。应当注意，分束板1002可以是偏振分束板。光束由安装到第二基板1028的顶侧或表面的检测器1026检测。在一些示例性实施方案中，一个或多个检测器或检测器1026的一个或多个阵列可以是SiPM或MPPC检测器。
第一基板1006和第二基板1028由机械支撑结构1009机械地支撑并且相对于彼此适当地定位。机械支撑结构1009可以由例如惰性间隔材料层制成，该惰性间隔材料层例如由印刷电路板(PCB)材料、环氧树脂、金属或其他类似材料制成。选择机械支撑结构1009的物理配置(即尺寸、位置等)以在诸如激光光源1004、分束板1002、第一基板1006、第二基板1028、一个或多个掩模1024、狭缝1042的部件之间提供适当的支撑和稳定性，从而满足***1000的性能要求。
图17包括根据示例性实施方案的配备有本文详述的一个或多个扫描激光雷达***100、100A的汽车500的示意性透视图。参见图17，应当注意，虽然仅示出了单个扫描激光雷达***100、100A，但应当理解，根据示例性实施方案的多个激光雷达***100、100A可用于汽车500中。另外，为了简化说明，扫描激光雷达***100、100A被示出为安装在汽车500的前面部分上或中。还应当理解，一个或多个扫描激光雷达***100、100A可安装在汽车500上的各种位置处。而且，将理解，激光雷达***100、100A可以被本文描述的任何激光雷达***代替。即，图17的描述可应用于配备有本文描述的任何实施方案的汽车。
图18包括根据示例性实施方案的配备有如上所详述的两个扫描激光雷达***100、100A的汽车500的示意性顶视图。在图18所示的特定实施方案中，第一激光雷达***100、100A经由总线560(其在一些实施方案中可为标准汽车控制器局域网(CAN)总线)连接到第一CAN总线电子控制单元(ECU)558A。可以将本文中在激光雷达***100、100A中详述的激光雷达处理生成的检测报告给ECU 558A，该ECU处理该检测并且可以经由CAN总线560提供检测警报。类似地，在一些示例性实施方案中，第二激光雷达扫描***100、100A经由CAN总线560连接到第二CAN总线电子控制单元(ECU)558B。由本文中在激光雷达***100、100A中详述的激光雷达处理生成的检测可报告给ECU 558B，该ECU处理这些检测并且可经由CAN总线560提供检测警报。应当注意，该配置仅是示例性的，并且可实现汽车500内的许多其他汽车激光雷达配置。例如，可使用单个ECU代替多个ECU。另外，可完全省略这些单独的ECU。而且，将理解，激光雷达***100、100A可以被本文描述的任何激光雷达***代替。即，图17的描述可应用于配备有本文描述的任何实施方案的汽车。
应注意，本公开描述了安装在汽车中的一个或多个扫描激光雷达***。将理解，本公开的扫描激光雷达***的实施方案可应用于任何种类的车辆，例如，公共汽车、火车等。而且，本公开的扫描激光雷达***不需要与任何种类的车辆相关联。
直接检测激光雷达***以构造和功能简单性为特征，并且与更复杂的零差或外差激光雷达***不同，不利用会促进信号检测和处理增益优点的频率转换或降频转换级。零差/外差激光雷达***的信号检测和处理增益优点是由发射信号的高级调制和编码与激光雷达接收器内的复杂相关处理技术的组合实现的。从复杂军用对象成像***到商业汽车自主巡航控制应用，已在雷达***内利用发射信号调制和编码以及高级相关处理技术。除了很高级的测量要求(例如，NASA对CO2排放的测量)之外，激光雷达***尚未利用这些技术。然而，根据本公开，激光发射信号包络调制和所恢复的包络调制信号的正交解调的开发已表现出与经由雷达科学关联和实现的那些类似的优点。激光发射器包络调制和正交解调代表直接检测激光雷达***的复杂度的适度增加，且通过实现直接检测激光雷达的信号处理增益而获得了测量能力和较低操作功率方面的显著有益效果。
虽然在阅读以上描述之后，本公开的许多改动和修改对于本领域普通技术人员是显而易见的，但应当理解以说明性方式示出和描述的特定实施方案并非意在被视为限制性的。另外，已经参考特定实施方案描述了主题，但是本领域技术人员将想到在本公开的实质和范围内的变化。应当注意提供以上示例仅为了进行解释，并且决不应被理解成限制本公开。
虽然已参考本发明构思的示例性实施方案来具体示出和描述本发明构思，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明构思的实质和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (25)

1.一种光收发器装置，包括：
基板；
激光器，所述激光器固定到所述基板的第一表面，所述激光器产生输出光，以沿着发射轴线发射到区域中；和
光学检测元件，所述光学检测元件固定到所述基板的与所述第一表面相背对的第二表面，所述光学检测元件通过所述基板的所述第一表面和所述第二表面之间的所述基板中的开口沿着接收轴线接收从所述区域反射的输入光，所述发射轴线和所述接收轴线基本平行。
2.根据权利要求1所述的光收发器装置，其中所述发射轴线和所述接收轴线基本上为相同的轴线。
3.根据权利要求1所述的光收发器装置，还包括掩模，所述掩模具有与所述基板的所述开口对准的至少一个狭缝，使得由所述检测元件从所述区域接收的所述反射光穿过所述狭缝。
4.根据权利要求3所述的光收发器装置，其中所述掩模形成在所述基板的所述第一表面处。
5.根据权利要求3所述的光收发器装置，其中所述掩模形成在所述基板的所述第二表面处。
6.根据权利要求1所述的光收发器装置，还包括带通滤光器，从所述区域返回的所述光投射在所述带通滤光器上，使得从所述区域返回的所述光被所述带通滤光器滤波。
7.根据权利要求6所述的光收发器装置，其中所述带通滤光器具有随温度漂移的波长通带，选择所述带通滤光器，使得根据所述输出光的波长的温度漂移来确定所述带通滤光器的所述通带的温度漂移。
8.根据权利要求1所述的光收发器装置，其中所述光学检测元件包括硅光电倍增器(SiPM)检测器。
9.根据权利要求1所述的光收发器装置，其中所述光学检测元件包括多像素光子计数器(MPPC)检测器。
10.根据权利要求9所述的光收发器装置，还包括掩模，所述掩模具有与所述基板的孔径对准的至少一个狭缝，使得由所述检测器从所述区域接收的所述反射光在到达所述检测器之前穿过所述狭缝。
11.根据权利要求10所述的光收发器装置，其中所述掩模形成在所述基板的所述第一表面处。
12.根据权利要求10所述的光收发器装置，其中所述掩模形成在所述基板的所述第二表面处。
13.根据权利要求1所述的光收发器装置，还包括在所述激光器与所述检测器之间的光路上的偏振分束器，所述输出光和所述输入光二者至少部分地穿过所述偏振分束器。
14.根据权利要求1所述的光收发器装置，还包括在所述激光器与所述检测器之间的光路上的偏振分束器，所述输出光和所述输入光中的至少一者至少部分地穿过所述偏振分束器。
15.根据权利要求1所述的光收发器装置，还包括固定到所述基板的第一表面的多个激光器，所述输出光包括由所述多个激光器产生的相应的多个光束。
16.根据权利要求15所述的光收发器装置，还包括扫描装置以用于在所述区域上扫描所述多个光束。
17.根据权利要求16所述的光收发器装置，其中所述扫描装置包括扫描镜。
18.根据权利要求17所述的光收发器装置，其中所述扫描镜是微机电***(MEMS)扫描镜。
19.根据权利要求1所述的光收发器装置，其中所述光学检测元件包括光检测器阵列。
20.根据权利要求19所述的光收发器装置，其中光检测器包括硅光电倍增器(SiPM)。
21.根据权利要求19所述的光收发器装置，其中所述光检测器包括多像素光子计数器(MPPC)。
22.根据权利要求19所述的光收发器装置，其中所述光检测器阵列是二维阵列。
23.根据权利要求1所述的光收发器装置，其中所述光收发器装置是汽车激光雷达检测***的一部分。
24.根据权利要求23所述的光收发器装置，其中所述激光雷达检测***是同轴***。
25.一种光收发器装置，包括：
第一基板；
激光器，所述激光器固定到所述第一基板，所述激光器产生输出光，以沿着发射轴线发射到区域中；
第二基板；
支撑结构，所述支撑结构固定到所述第一基板和所述第二基板，所述支撑结构机械地支撑所述第一基板和所述第二基板；
光学检测元件，所述光学检测元件固定到所述第二基板，所述光学检测元件通过所述支撑结构中的开口沿着接收轴线接收从所述区域反射的输入光；和
掩模，所述掩模具有固定到所述支撑结构的至少一个狭缝，所述狭缝与所述支撑结构中的所述开口对准，使得所述光学检测元件从所述区域接收的所述反射光在到达所述光学检测元件之前穿过所述狭缝。
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