CN109196378A - 用于遥感接收器的光学系统 - Google Patents

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Abstract

光学系统可例如用于遥感系统，可例如用于实现将激光脉冲传输组合在LiDAR中并且包括双传输和接收系统的系统。双接收器系统可包括以下接收器：包括具有相对小孔径、宽视场的用于捕获来自近程(例如，＜20米)物体的反射光的光学系统的接收器，以及包括具有相对大孔径、小视场的用于捕获来自远程(例如，＞20米)物体的反射光的光学系统的接收器。所述光学系统可将所述反射光折射至捕获所述光的光电探测器(例如，单光子雪崩检测器(SPAD))。在所述光电探测器处捕获的光可例如用于确定环境中的物体或表面的范围信息。

Description

用于遥感接收器的光学系统
背景技术
遥感技术为不同的系统提供有关该系统的外部环境的信息。各种技术应用可依赖于遥感系统和遥感装置来操作。此外，随着越来越多的系统试图利用更大量的数据以在动态环境中执行不同的任务；遥感提供可有利于决策的环境数据。例如，指导机械操作的控制系统可利用遥感装置来探测工作空间内的物体。在一些场景中，基于激光的感测技术，诸如激光雷达(LiDAR)，可提供高分辨率的环境数据，诸如深度图，其可指示不同物体与LiDAR的接近度。
发明内容
描述了光学方法和系统，这些光学方法和系统可例如用于遥感系统，诸如激光雷达(LiDAR)应用，可例如用于实现将激光脉冲传输组合在LiDAR中并且包括双传输和接收系统的系统。LiDAR应用中的双接收器系统的接收器部件可包括用于近程的相对小孔径、宽视场(FOV)的光学系统(被称为近程光学系统)的实施方案和用于远程具有较小FOV的相对大孔径的光学系统(被称为远程光学系统)的实施方案。远程光学系统和近程光学系统均可利用光学滤波器、扫描镜(例如，微机电(MEMS)镜)和光电探测器(也被称为光电传感器或传感器)，例如一个或多个一维单光子雪崩检测器(SPAD)，以提高正光子事件的概率。
描述了一种示例激光雷达(LiDAR)装置，其将激光脉冲传输组合在共光路中，并且可在其中实现近程和远程光学系统的实施方案。在示例LiDAR装置中，不同的激光发射器可发射相应的脉冲序列，脉冲序列可根据激光脉冲的偏振态在LiDAR的光路中组合和分离。以此种方式，可组合不同类型的激光脉冲，包括具有不同波长、宽度或幅度的激光脉冲。可动态地修改不同脉冲序列串中的激光脉冲发射，以调节发射激光脉冲的时间设置，使得可实现不同的扫描模式。LiDAR装置的接收器部件可结合如本文所述的远程光学系统和近程光学系统的实施方案。
附图说明
图1示出了光学系统的示例实施方案，该光学系统例如可用作LiDAR应用中的远程光学系统。
图2示出了光学系统的示例实施方案，该光学系统例如可用作LiDAR应用中的近程光学系统。
图3示出了光学系统的示例实施方案，该光学系统例如可用作LiDAR应用中的近程光学系统。
图4示出了光学系统的示例实施方案，该光学系统例如可用作LiDAR应用中的远程光学系统。
图5示出了光学系统的示例实施方案，该光学系统例如可用作LiDAR应用中的近程光学系统。
图6A和图6B为根据一些实施方案的示例LiDAR系统的逻辑框图，该LiDAR系统将激光脉冲传输组合在激光雷达(LiDAR)中。
图7A和图7B示出了根据一些实施方案的用于由发射器发射的激光脉冲和由接收器接收的脉冲反射的示例共光路，该接收器包括如图1至图5所示的光学系统。
图8为LiDAR系统的操作方法的高级流程图，该LiDAR系统包括光发射器和远程及近程接收器，这些远程及近程接收器包括如图1至图5所示的光学系统。
本说明书包括参考“一个实施方案”或“实施方案”。出现短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”并不一定是指同一个实施方案。特定特征、结构或特性可以与本公开一致的任何合适的方式被组合。
“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求书中所使用的，该术语不排除附加结构或步骤。考虑以下引用的权利要求：“一种包括一个或多个处理器单元...的装置”此类权利要求不排除该装置包括附加部件(例如，网络接口单元、图形电路等)。
“被配置为”。各种单元、电路或其他部件可被描述为或叙述为“被配置为”执行一项或多项任务。在此类上下文中，“被配置为”用于通过指示单元/电路/部件包括在操作期间执行这一项或多项任务的结构(例如，电路)来暗指该结构。如此，单元/电路/部件可被配置为即使在指定的单元/电路/部件当前不可操作(例如，未接通)时也执行该任务。与“被配置为”语言一起使用的单元/电路/部件包括硬件——例如电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。引用单元/电路/部件“被配置为”执行一项或多项任务明确地旨在针对该单元/电路/部件不援引35U.S.C.§112(f)。此外，“被配置为”可包括由软件和/或固件(例如，FPGA或执行软件的通用处理器)操纵的通用结构(例如，通用电路)以能够执行待解决的一项或多项任务的方式操作。“被配置为”还可包括调整制造过程(例如，半导体制作设施)，以制造适用于实现或执行一项或多项任务的设备(例如，集成电路)。
“第一”“第二”等。如本文所用，这些术语充当它们所在之前的名词的标签，并且不暗指任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的等)。例如，缓冲电路在本文中可被描述为执行“第一”值和“第二”值的写入操作。术语“第一”和“第二”未必暗指第一值必须在第二值之前被写入。
“基于”。如本文所用，该术语用于描述影响确定的一个或多个因素。该术语不排除影响确定的附加因素。即，确定可仅基于这些因素或至少部分地基于这些因素。考虑短语“基于B来确定A”。在这种情况下，B为影响A的确定的因素，此类短语不排除A的确定也可基于C。在其他实例中，可仅基于B来确定A。
具体实施方式
本文描述了光学方法和系统，这些光学方法和系统可例如用于遥感系统，诸如激光雷达(LiDAR)应用，可例如用于实现将激光脉冲传输组合在如图6A和图6B所示的LiDAR中的系统。LiDAR是一种遥感技术，其对准目标发射激光，并根据在LiDAR处检测到的激光的反射来测量到目标的距离。可基于发送激光脉冲传输的时间和接收激光脉冲传输的反射的时间之间的差值来计算距离。由LiDAR计算的距离用于许多不同的应用中。例如，可处理在区域获取的多个距离测度以生成高分辨率图，其可用于各种不同的应用，包括但不限于地质调查、大气测量、物体检测、自主导航或其他环境遥感应用。需注意，本文所用术语“LiDAR”在其他文本中有时会以不同形式指定或指代，包括术语诸如“Lidar”、“lidar”、“LIDAR”或“光雷达”。
远程及近程接收器光学器件
图1至图5和表1至表5示出了光学系统的各种实施方案，这些光学系统可例如在遥感系统(诸如LiDAR系统，例如如图6A至图7B所示)的远程接收器和近程接收器中用作远程光学系统和近程光学系统。用于LiDAR的双传输和接收系统的优势是可实现的架构，其包括扫描镜、微机电(MEMS)镜以及单光子雪崩检测器(SPAD)，单光子雪崩检测器(SPAD)用于计算近(短)程(例如20米或更近)和远程(例如20米至200米)的单光电子事件，具有可接受的制造风险、眼睛安全裕度和光子探测概率。
LiDAR应用中的双接收器系统的部件可包括用于近程的相对小孔径、宽视场的光学系统(被称为近程光学系统)和用于远程的具有较小视场的相对大孔径的光学系统(被称为远程光学系统)。远程光学系统和近程光学系统均可利用光学滤波器、扫描镜和传感器，例如一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)，来提高正光子事件的概率。
在一些实施方案中，双接收器系统可包括通过共光路把光发射至物场的两个光发射器(例如，激光器)，以及检测在系统处通过共光路所接收到的所发射光的反射的两个光接收器。光接收器可包括近程光学系统，其包括将从一定范围内(例如20米或更近)反射的光的一部分折射至被配置为捕获光的第一传感器的透镜元件，以及远程光学系统，其包括将从一定范围内(例如20米或更远)反射的光的一部分折射至被配置为捕获光的第二传感器的一个或多个透镜元件。在一些实施方案中，近程光学系统具有小孔径并提供宽视场，远程光学系统具有大孔径并提供小视场。
在一些实施方案中，远程光学系统可包括五个折射透镜元件。在一些实施方案中，远程光学系统的视场可为15度或更小。在一些实施方案中，远程光学系统的焦比可为1.2或更小。在一些实施方案中，远程光学系统中的透镜元件的表面是球面、平滑的非球面或平整/扁平表面中的一种。在一些实施方案中，远程光学系统可包括光学带通滤波器，或者另选地包括透镜元件中的一者的扁平表面上的光学带通滤波器涂层。
在一些实施方案中，近程光学系统可包括七个折射透镜元件。在一些实施方案中，近程光学系统可包括六个折射透镜元件。在一些实施方案中，近程光学系统的视场介于45度和65度之间。在一些实施方案中，近程光学系统的焦比可为2.0或更小。在一些实施方案中，近程光学系统中的透镜元件的表面是球面、平滑的非球面或平整/扁平表面中的一种。在一些实施方案中，近程光学系统可包括光学带通滤波器，或者另选地包括透镜元件中的一者的平整/扁平表面上的光学带通滤波器涂层。
需注意，光学系统的各种参数以举例的方式给出，并非旨在进行限制。例如，光学系统可包括多于或少于示例实施方案中所述的透镜元件，透镜元件的形状可不同于所描述的那些，并且光学系统的光学特性(例如，视场、孔径、焦比等)可与所描述的那些不同但仍然为光学系统提供类似性能。还需注意，光学系统可按比例放大或缩小以提供如本文所述的光学系统的更大实现或更小实现。
虽然光学系统的实施方案是参考在系统诸如LiDAR系统中的使用加以描述，但本文所述的光学系统可用于各种其他应用中。也需注意，虽然实施方案是参考双接收器系统加以描述，但光学系统的实施方案可用于包括一个或两个以上接收器的系统中。
表1至表5提供如参考图1至图5所描述的光学系统的示例实施方案的各种光学参数和物理参数的示例值。在表中，除非另外指明，否则所有的尺度均以毫米(mm)计。“S#”代表表面编号。正半径指示曲率中心在表面的右侧(物侧)。负半径指示曲率中心在表面的左侧(像侧)。“Infinity”代表光学中所用的无穷远。厚度(或间距/间隔)是到下一个表面的轴向距离。
在参考图1至图5所述的光学系统的示例实施方案中，透镜元件可由各种塑料或玻璃材料形成。所给出的光学系统中的透镜元件中的两个或更多个可由不同材料形成。对于透镜元件的材料，可提供折射率(例如，氦d线波长处的Nd)和色散系数Vd(例如，相对于d线与氢的C线和F线)。色散系数Vd可由以下公式定义：
Vd＝(Nd-1)/(NF-NC)，
其中NF和NC分别为材料在氢的F线和C线处的折射率值。
需注意，下表中针对光学系统的各种实施方案中的各种参数给出的值以举例的方式给出，而并非旨在进行限制。例如，示例实施方案中的一个或多个透镜元件的一个或多个表面的一个或多个参数以及组成这些元件的材料的参数可被赋予不同的值，同时仍然为光学系统提供类似的性能。特别地，需注意，表中的一些值可按比例放大或缩小以达到如本文所述的光学系统的更大实现或更小实现。
还需注意，如表中所示的光学系统的各种实施方案中的元件的表面编号(S#)从第一表面(图1)、光阑(图3)或第一透镜元件(图2、图4和图5)的物侧表面到像平面/光电传感器表面处的最后一个表面列出。
图1和表1-远程光学系统100
图1和表1示出了光学系统的示例实施方案100，该光学系统可例如用作LiDAR应用中的远程光学系统。在一些实施方案中，光学系统100可具有五个折射透镜元件101-105，这些折射透镜元件按顺序从光学系统100的物侧上的第一透镜元件101到光学系统100的像侧上的最后透镜元件105排列。光学系统100可包括光阑，例如位于如图1所示的透镜102和透镜103之间。光学系统100还可包括光学带通滤波器，例如位于如图1所示的透镜102的表面S4处或其上。光学系统100可被配置为将来自物场的光折射到在传感器190的表面处或其附近形成的像平面。传感器190可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。
透镜元件101可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件101的两个表面均可为球形的。透镜元件102可为具有负折射力的平凹透镜。透镜元件102可具有凹状的物侧表面和扁平(平整)的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件102的物侧表面可为球形的。在一些实施方案中，透镜元件102的物侧表面可接触透镜101的像侧表面。透镜元件103可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件103可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件103的两个表面均可为球形的。透镜元件104可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件104可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件104的两个表面均可为球形的。透镜元件105可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件105的两个表面均可为球形的。
光学系统100的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：
·光学系统100可具有五个或更少的透镜。
·透镜中的一个或多个可具有球形表面；在一些实施方案中，所有透镜均具有球形表面。
·光学系统100可具有大的入射光瞳(例如，40mm)和小的焦比(例如，1.125或更小)，并且可提供小视场(例如，15度或更小)。
·光学系统100可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以在引入焦平面时以及在温度变化期间提供最小的图像尺度变化。
·光学系统100可包括光学带通滤波器，以获得光电事件探测的最优概率。例如，光学系统100可包括在如图1所示的透镜102的表面S4处或其上的滤波器，以减小在焦点(像平面)处出现不需要的光瞳鬼像的可能性。
·光学系统100可在较大的温度范围(例如，-40摄氏度至80摄氏度)和源带宽(例如，900纳米(nm)-1000nm)内达到系统规范。
·光学系统100可针对紧凑的SPAD配置进行优化。
·光学系统100可具有小于0.2％的负畸变以及几乎100％的视场上的相对照度，以获得最优光子检测概率。
·光学系统100可包括光阑(孔径)，例如位于如图1所示的透镜102和透镜103之间。
在一些实施方案中，光学系统100可与多个扫描镜系统(例如，MEMS镜)集成，以收集来自远程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(像平面)处的一个或多个SPAD芯片。
表1
接收器光学系统100
图2和表2-近程光学系统200
图2和表2示出了光学系统的示例实施方案200，该光学系统可例如用作LiDAR应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统200可具有六个折射透镜元件201-206，这些折射透镜元件按顺序从光学系统200的物侧上的第一透镜元件201到光学系统200的像侧上的最后透镜元件206排列。光学系统200可包括光阑，例如位于如图2所示的透镜202和透镜203之间。光学系统200还可包括光学带通滤波器，例如位于如图2所示的透镜204的表面S12处或其上。光学系统200可被配置为将来自物场的光折射到在传感器290的表面处或其附近形成的像平面。传感器290可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。
透镜元件201可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件201可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件201的表面S4可为平滑的非球形的或者球形的，透镜元件201的表面S5可为球形的。透镜元件202可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件202的表面S6可为球形的，透镜元件202的表面S7可为平滑的非球形的或者球形的。透镜元件203可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件203可具有凹状的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件203的表面S10和S11可为球形的。透镜元件204可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件204可具有扁平(平整)的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜204的表面S13可为球形的。透镜元件205可为具有负折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件205的表面S14可为凸状的，透镜元件205的表面S15可为凹状的。在一些实施方案中，透镜元件205的表面S14可为球形的，透镜元件205的表面S15可为平滑的非球形的或者球形的。透镜元件206可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件206的表面S16可为球形的，透镜元件206的表面S17可为平滑的非球形的或者球形的。
光学系统200的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：
·光学系统200可具有六个或更少的透镜。
·透镜中的一个或多个可具有球形表面；在一些实施方案中，所有透镜均具有球形表面。
·光学系统200可具有小焦比(例如，2.0或更小)，并且可提供大视场(例如，60度或更大)。
·光学系统200可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以最小化光子质心运动和三角测量对近程光学范围的影响。
·光学系统200可包括光学带通滤波器，以获得光电事件探测的最优概率。例如，光学系统200可包括在如图2所示的透镜204的平整表面S12处或其上的滤波器。
·光学系统100可在较大的温度范围(例如，-40摄氏度至80摄氏度)和源带宽(例如，900nm-1000nm)内达到系统规范。
·光学系统200可针对紧凑的SPAD配置进行优化。
·光学系统200可具有小于5％的负畸变以及大于60％的视场上的相对照度，以获得最优光子检测概率。
·光学系统200可包括光阑(孔径)，例如位于如图2所示的透镜202和透镜203之间。
在一些实施方案中，光学系统200可与多个扫描镜系统(例如，MEMS镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(像平面)处的一个或多个SPAD芯片。
表2
接收器光学系统200
表面 类型 曲率半径 厚度或间距 材料
透镜201 S4 平滑非球面 160.0949 2.0 BK7
S5 标准 9.310111 1.705925
透镜202 S6 标准 44.142 3.000001 SF6
S7 平滑非球面 -20.31882 0.1999999
光阑 标准 无穷远 0
透镜203 S9 标准 无穷远 4.144555
S10 标准 -8.87866 5.0 SF6
S11 标准 -10.73887 0.4619624
透镜204 S12 标准 无穷远 5.017804 SF6
S13 标准 -23.29207 0.6136292
透镜205 S14 标准 21.1782 6.056791 SF6
S15 平滑非球面 11.76076 5.193445
透镜206 S16 标准 19.42751 4.478419 SF6
S17 平滑非球面 -120.8147 7.127467
传感器290 图像 标准 无穷远
图3和表3-接收器光学系统300
图3和表3示出了光学系统的示例实施方案300，该光学系统可例如用作LiDAR应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统300可具有七个折射透镜元件301-307，这些折射透镜元件按顺序从光学系统300的物侧上的第一透镜元件301到光学系统300的像侧上的最后透镜元件307排列。光学系统300可包括光阑，例如位于如图3所示的透镜301和物场之间。光学系统300还可包括例如位于如图3所示的透镜304和305之间的光学带通滤波器310，或者另选地可具有如图3所示的透镜304的表面S9上的光学带通滤波器涂层。光学系统300可被配置为将来自物场的光折射到在传感器390的表面处或其附近形成的像平面。传感器390可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。
透镜元件301可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件301可具有凹状的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件301的两个表面均可为球形的。透镜元件302可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件302的两个表面均可为球形的。透镜元件302可具有凹状的物侧表面和凸状的像侧表面。透镜元件303可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件303可具有扁平(平整)的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件303的像侧表面可为球形的。透镜元件304可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件304可具有凸状的物侧表面和扁平(平整)的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件304的物侧表面可为球形的。透镜元件305可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件305的两个表面均可为球形的。透镜元件306可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件206的两个表面均可为球形的。在一些实施方案中，透镜元件306的物侧表面可接触透镜305的像侧表面。透镜元件307可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件307的两个表面均可为球形的。透镜元件702可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。
光学系统300的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：
·光学系统300可为具有低焦比的强光透镜，所述低焦比例如在1.5至1.6的范围内，例如为1.53。
·光学系统300可在方位角和仰角上提供45度的视场覆盖。
·光学系统300可在宽光谱范围内校正以说明源波长变化性(单元到单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统300的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。
·光学系统300可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。
·光学系统300可包括七个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。
·光学系统300的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。
·当与不锈钢桶组装时，光学系统300可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统300在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统300的焦点和焦距。
·光学系统300可具有低畸变设计，该设计允许将物体角度预映射到传感器位置而不损失角分辨率。
·光学系统300可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。
·在一些实施方案中，扁平(平整)表面(例如，图3所示的透镜304的表面S9)可用于准直或近似准直的空间内的光学系统300的内部，以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图3所示的透镜304的表面S9)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。另选地，在一些实施方案中，可将单独的滤波器310放置在相同的准直空间(在透镜304和透镜305之间)中，并且可通过组装期间的简单重新聚焦来恢复性能。
·光学系统300可包括光阑(孔径)，例如在如图3所示的透镜301处或者在其前方。
在一些实施方案中，光学系统300可与多个扫描镜系统(例如，MEMS镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(像平面)处的一个或多个SPAD芯片。
表3
接收器光学系统300
图4和表4-接收器光学系统400
图4和表4示出了光学系统的示例实施方案400，该光学系统可例如用作LiDAR应用中的远程光学系统。在一些实施方案中，光学系统400可具有五个折射透镜元件401-405，这些折射透镜元件按顺序从光学系统400的物侧上的第一透镜元件401到光学系统400的像侧上的最后透镜元件405排列。光学系统400可包括光阑，例如位于如图4所示的透镜401和透镜402之间。光学系统400还可包括光学带通滤波器，例如位于如图4所示的透镜401的像侧表面(表面S2)处或其上。光学系统400可被配置为将来自物场的光折射到在传感器490的表面处或其附近形成的像平面。传感器490可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。
透镜元件401可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件401可具有凸状的物侧表面和扁平(平整)的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件401的物侧表面可为球形的。透镜元件402可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件402可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件402的两个表面均可为球形的。透镜元件403可为具有负折射力的双凹透镜。在一些实施方案中，透镜元件403的两个表面均可为球形的。透镜元件404可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜元件404的两个表面均可为球形的。透镜元件405可为具有正折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件405的两个表面均可为球形的。透镜元件405可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。
光学系统400的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：
·光学系统400可为具有低焦比的强光透镜，所述低焦比例如在1.1至1.2的范围内，例如为1.125。
·光学系统400可提供10度的视场。
·光学系统400可在宽光谱范围内校正以说明源波长变化性(单元到单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统400的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。
·光学系统400可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。
·光学系统400可包括五个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。
·光学系统400的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。
·当与不锈钢桶组装时，光学系统400可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统400在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统400的焦点和焦距。
·光学系统400可具有低畸变设计(例如，畸变＜-0.2％)。
·光学系统400可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。
·在一些实施方案中，扁平表面(例如，图4中透镜元件401的表面S2)可用于准直或近似准直的空间内的光学系统400的内部，以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图4中透镜元件401的表面S2)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。
·光学系统400可包括光阑(孔径)，例如位于如图4所示的透镜401和透镜402之间。
在一些实施方案中，光学系统400可与多个扫描镜系统(例如，MEMS镜)集成，以收集来自远程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(像平面)处的一个或多个SPAD芯片。
表4
接收器光学系统400
图5和表5-接收器光学系统500
图5和表5示出了光学系统的示例实施方案500，该光学系统可例如用作LiDAR应用中的近程光学系统。在一些实施方案中，光学系统500可具有六个折射透镜元件501-506，这些折射透镜元件按顺序从光学系统500的物侧上的第一透镜元件501到光学系统500的像侧上的最后透镜元件506排列。光学系统500可包括光阑，例如位于如图5所示的透镜502和透镜503之间。光学系统500还可包括光学带通滤波器，例如位于如图5所示的透镜506的表面S13处或其上。光学系统500可被配置为将来自物场的光折射到在传感器590的表面处或其附近形成的像平面。传感器590可例如包括一个或多个单光子雪崩检测器(SPAD)。然而，在一些实施方案中，可使用其他类型的光电探测器。
透镜元件501可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件501可具有凹状的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件501的两个表面均可为球形的。透镜元件502可为具有负折射力的弯月透镜。透镜元件502可具有凸状的物侧表面和凹状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件502的两个表面均可为球形的。透镜元件503可为具有正折射力的弯月透镜。透镜元件503可具有凹状的物侧表面和凸状的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件503的两个表面均可为球形的。透镜元件504可为具有正折射力的双凸透镜。在一些实施方案中，透镜504的两个表面均可为球形的。透镜元件505可为具有负折射力的弯月透镜。在一些实施方案中，透镜元件505的物侧表面可为凸状的，透镜元件505的像侧表面可为凹状的。在一些实施方案中，透镜元件505的两个表面均可为球形的。透镜元件506可为具有正折射力的平凸透镜。透镜元件506可具有凸状的物侧表面和扁平(平整)的像侧表面。在一些实施方案中，透镜元件506的物侧表面可为球形的。
光学系统500的特性和优势可包括但不限于以下各项中的一项或多项：
·光学系统500可以紧凑的形式提供适度快速的光学器件(例如，焦比2.0)。
·光学系统500可提供60度的视场。
·光学系统500可在宽光谱范围内校正以说明源波长变化性(单元到单元)。例如，在一些实施方案中，组装期间对光学系统500的简单重新聚焦可容许最多+/-50nm。
·光学系统500可校正为最多12nm的光谱宽度，以适应源光谱宽度和源光谱随温度的偏移。
·光学系统500可包括六个透镜元件。在一些实施方案中，所有透镜元件均具有球形表面，这样可降低成本。
·光学系统500的设计允许针对透镜元件和透镜组件的容易的制造公差。
·当与不锈钢桶组装时，光学系统500可在-40摄氏度至80摄氏度的温度范围内无热化。这可例如有助于确保系统500在广泛操作范围内的分辨率，同时有助于维持系统500的焦点和焦距。
·光学系统500可具有低畸变设计，该设计允许将物体角度预映射到传感器位置而不损失角分辨率。
·光学系统500可为远心透镜(例如，像空间远心透镜)，以确保传感器处的信号从物空间中的角度正确地映射到像空间中的位置，而不考虑物体距离。
·在一些实施方案中，扁平表面(例如，图5中透镜元件506的表面S13)可用于具有低多样性角度的空间内的光学系统500的内部，以允许窄通带涂层直接沉积在透镜(例如，图5中透镜元件506的表面S13)的扁平表面，从而不需要滤波器元件。
·光学系统500可包括光阑(孔径)，例如位于如图5所示的透镜502和透镜503之间。
在一些实施方案中，光学系统400可与多个扫描镜系统(例如，MEMS镜)集成，以收集来自近程物体的激光辐射，并且以足够的精度将物体成像到焦点(像平面)处的一个或多个SPAD芯片。
表5
光学系统500
示例LiDAR系统
图6A至图6B和图7A至图7B示出了示例LiDAR系统，其中可实现如本文所述的光学系统的实施方案。
图6A和图6B为根据一些实施方案的示例LiDAR系统的逻辑框图，该系统将激光脉冲传输组合在激光雷达(LiDAR)中，并且其中可实现如图1至图5所示的光学系统的实施方案。在图6A中，LiDAR 1000示出了两种不同脉冲即出脉冲1042和出脉冲1044经由共光路1030的组合传输。LiDAR 1000可实现两个激光发射器1012和1014。每个激光发射器1012和1014可被配置为发射一个或多个激光脉冲(其反射可被捕获以确定距离测度)的单独的序列。由发射器1012和1014发射的激光脉冲的类型可相同或不同。例如，发射器1012可发射具有与由发射器1014发射的激光脉冲相同或不同的波长、脉冲宽度或幅度的激光脉冲。另外，由发射器1012和1014发射的不同类型的激光脉冲，发射激光脉冲的时间设置可不同。例如，在一些实施方案中，可根据一个PRR(例如，1兆赫)发射来自发射器1012的激光脉冲，而可根据增加或减少的PRR(例如，0.5兆赫)发射来自发射器1014的激光脉冲。两个发射器之间的发射也可根据两个激光发射器之间的发射时间差(即，变量)交错。
LiDAR 1000还可实现共光路1030，其可组合从两个不同发射器即发射器1012和1014发送的脉冲1032。例如，如图6A所示，出脉冲1042为从发射器1012发射的脉冲，出脉冲1044为从发射器1014发射的脉冲，这两种脉冲都经由相同的光路即共光路1040发送。光学装置(例如，透镜、分束器、折叠式反射镜或者其他任何处理或分析光波的装置)的不同组合可实现为共光路1030的一部分，以组合来自发射器1012和1014的脉冲，其可以正交偏振(例如，两个不同的线性偏振态)发射。例如，从发射器1012发送的激光脉冲可具有垂直偏振态，从发射器1014发送的激光脉冲可具有水平偏振态。在各种实施方案中，为组合正交偏振态的脉冲，可实现共光路1030中的光学装置的各种组合以确保两种不同的激光脉冲的偏振态在发射和反射上都是可辨识的。以此种方式，经由共光路1030接收的不同脉冲的反射可被分离1034(如图6B所示)并且被引导至恰当的接收器，以计算特定于从特定发射器发射的脉冲的距离测度(例如，从发射器1012发射的脉冲1042可与接收器1022处的回脉冲反射1052的检测相匹配，出脉冲1044可与接收器1024处的回脉冲反射1054的检测相匹配)。以下讨论的图7A至图7B提供了可实现的共光路的不同实施例。
由于从发射器1012和1014发射的激光脉冲序列可组合并经由共光路1030发射，所以由LiDAR 1000捕获的距离测度可变化。例如，由于脉冲之间的传输变量可以是可配置的，所以由LiDAR 1000提供的密度或位置距离测度可相应地改变。类似地，用于发射器1012的PPR可更慢以覆盖更远的范围。在一些情况下，发射器1012可被配置为提供远程距离测度，发射器1014可被配置为提供近程距离测度，有效地提供可由LiDAR 1000确定的更大范围的距离测度(例如，动态范围)。例如，发射器1012可发送具有1550nm波长的激光脉冲用于更大范围的距离测度，发射器1014可发送具有930nm波长的激光脉冲以捕获近程范围内的距离测度。在一些实施方案中，接收器1022可包括如本文中参考图1或4所述的远程光学系统以接收来自发射器1012的返回光，接收器1024可包括如本文中参考图2、图3或图5所述的近程光学系统以接收来自发射器1014的返回光。
如上所述，可实现不同的光学装置以组合及分离从不同的激光发射器发送的激光脉冲，使得对应的反射被引导至恰当的接收器。图7A和图7B示出了根据一些实施方案的用于激光脉冲和脉冲反射的示例光路。在图7A中，示出了用于两个不同的激光发射器(1410和1412)的出脉冲路径(1470和1472)。光学器件1400可实现发射器1410，该发射器可将线性偏振态的激光脉冲发送到分束器1434，该分束器转而可将脉冲引导到偏振分束器1430。偏振分束器1430可引导脉冲穿过四分之一波片1440，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可从扫描镜1460反射出去到环境中。光学器件1400可实现发射器1412，该发射器可将激光脉冲发送至分束器1432。从发射器1412发送的激光脉冲可处于与从发射器1410发送的脉冲的偏振态正交的线性偏振态。分束器1432可将脉冲引导至偏振分束器1430。偏振分束器1430可引导脉冲穿过四分之一波片1440，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可从扫描镜1460反射，该扫描镜可将脉冲引导出去到环境中。
在图7B中，示出了脉冲反射路径1480(其对应于根据出脉冲路径1470发射的脉冲的反射)和脉冲反射路径1482(其对应于根据出脉冲路径1472发射的脉冲的反射)。由发射器1410发射的脉冲的脉冲反射可被接收并且从扫描镜1460反射，引导脉冲穿过四分之一波片1440。当脉冲以圆偏振态发射到环境中时，反射也可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果出路径1470以右旋圆偏振态发射激光脉冲，则对应的反射将以左旋圆偏振态被接收。因此，当四分之一波片1440转化反射的偏振时，所得的线性偏振与最初从发射器1410发射激光脉冲的线性偏振态正交。因此，部分分束器1430引导脉冲穿过分束器1432和光学系统1452以抵达接收器1422的传感器1492并被其检测到。由发射器1412发射的脉冲的脉冲反射可被接收并且从扫描镜1460反射，引导脉冲穿过四分之一波片1440。同样，反射也可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果出路径1472以左旋圆偏振态发射激光脉冲，则对应的反射将以右旋圆偏振态被接收。因此，当四分之一波片1440转化反射的偏振时，所得的线性偏振与最初从发射器1412发射激光脉冲的线性偏振态正交。因此，脉冲穿过部分分束器1430、分束器1434和光学系统1450以抵达接收器1420的传感器1490并被其检测到。
在一些实施方案中，接收器1420可包括如本文中参考图1或4所述的远程光学系统1450和传感器1490以接收来自发射器1412的返回光，接收器1422可包括如本文中参考图2、图3或图5所述的近程光学系统1452和传感器1492以接收来自发射器1410的返回光。
图8为LiDAR系统的操作方法的高级流程图，该LiDAR系统包括发射器和远程及近程接收器，这些远程及近程接收器包括如图1至图5所示的光学系统。图8的方法可例如在如图6A至图7B所示的LiDAR系统中实现。
如2000处所示，发射器(例如，两个激光发射器)将光发射至共光路，例如如图6A和图7A所示。如2010处所示，共光路将光引导至物场。在一些实施方案中，如图7A所示，每个发射器可将线性偏振态的激光脉冲发送到相应的分束器，该分束器转而可将脉冲引导到偏振分束器。在一些实施方案中，一个发射器的线性偏振态可与其他发射器的线性偏振态正交。偏振分束器可引导脉冲穿过四分之一波片，该波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态。然后转化的脉冲可由扫描镜(例如，MEMS镜)反射到环境(即物场)中。光(脉冲)可由物场中的表面或物体反射。反射光中的至少一些可返回到LiDAR系统。
如2020处所示，来自物场的反射光可由共光路引导至远程接收器和近程接收器。共光路可被配置为将由发射器中的一者发出的光引导至远程接收器，并且将由其他发射器发出的光引导至近程接收器，例如如图7B所示。在一些实施方案中，来自每个发射器的反射光可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态。例如，如果来自一个发射器的光以左旋圆偏振态被发射，则对应的反射将以右旋圆偏振态被接收。当四分之一波片转化反射光的偏振时，所得的线性偏振与最初从相应的发射器发射激光脉冲的线性偏振态正交。然后来自每个发射器的反射光穿过光路中的分束器或者由其引导，以抵达对应于发射器的接收器。
如2030处所示，远程及近程接收器的光学系统将光折射至相应的光电探测器或传感器，例如一个或多个一维单光子雪崩检测器(SPAD)。图1和图4示出了可在远程接收器中使用的示例光学系统。图2、图3和图5示出了可在近程接收器中使用的示例光学系统。
如2040处所示，可分析在光电探测器处捕获的光，例如以确定环境中的物体或表面的范围信息。在一些实施方案中，可分析由远程接收器捕获的光，以确定远程物体或表面(例如，20米至200米)的范围，并且可分析由近程接收器捕获的光，以确定近程物体(例如，20米或更近)的范围。例如，可基于发送激光脉冲传输的时间和接收激光脉冲传输的反射的时间之间的差来计算距离。对于在远程及近程接收器处接收以及由远程及近程接收器捕获的反射光的分析可用于许多不同的应用中。例如，可处理在区域获取的多个距离测度以生成高分辨率图，其可用于各种不同的应用，包括但不限于地质调查、大气测量、物体检测、自主导航或其他环境遥感应用。
从元件2040返回到元件2000的箭头表明，只要系统(例如，LiDAR系统)在使用中，该方法就可连续地发射光(例如，激光脉冲)，并且接收和处理光的反射。
尽管上文已经描述了具体实施方案，但这些实施方案并非要限制本公开的范围，即使仅相对于特定特征描述单个实施方案的情况下也是如此。本公开中提供的特征示例意在进行例示，而非限制，除非做出不同表述。本公开的范围包括本文(明确或暗示)公开的任意特征或特征组合或其任意推广，而无论其是否减轻本文解决的任何或所有问题。因此，在本专利申请(或要求享有其优先权的专利申请)进行期间可针对特征的任何此类组合作出新的权利要求。具体地，参考所附权利要求书，可将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征进行组合，并可通过任何适当的方式而不是仅通过所附权利要求书中所列举的特定组合来组合来自相应独立权利要求的特征。
在不同的实施方案中，本文所述的各种方法可在软件、硬件或它们的组合中实现。此外，可改变方法的框的次序，可对各种要素进行添加、重新排序、组合、省略、修改等。对于受益于本公开的本领域的技术人员，显然可作出各种修改和改变。本文所述的各种实施方案旨在为例示的而非限制性的。许多变型、修改、添加和改进是可能的。各种部件和操作之间的界限在一定程度上是任意性的，并且在具体的示例性配置的上下文中示出了特定操作。预期了功能的其它分配，它们可落在所附权利要求的范围内。最后，呈现为示例性配置中的分立部件的结构和功能性可以被实现为组合结构或部件。这些和其它变型、修改、添加和改进可落入如以下权利要求书中所限定的实施方案的范围内。

Claims (21)

1.一种遥感系统，包括：
两个发射器，所述两个发射器通过共光路将光发射至物场；和
两个接收器，所述两个接收器检测在所述系统处通过所述共光路接收到的所发射的光的反射，其中所述两个接收器包括：
近程光学系统，所述近程光学系统包括多个折射透镜元件，所述多个折射透镜元件将从20米或更近范围内反射的所述光的一部分折射至捕获所述光的第一传感器，其中所述近程光学系统的视场介于45度和65度之间，并且其中所述近程光学系统的焦比为2.0或更小；和
远程光学系统，所述远程光学系统包括多个折射透镜元件，所述多个折射透镜元件将从20米或更远范围内反射的所述光的一部分折射至捕获所述光的第二传感器，其中所述远程光学系统的视场为15度或更小，并且其中所述远程光学系统的焦比为1.2或更小。
2.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述远程光学系统包括五个折射透镜元件，并且其中所述远程光学系统中的所述透镜元件的表面包括球面、平滑的非球面、或平整/扁平表面中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述近程光学系统包括六个折射透镜元件，其中所述近程光学系统中的所述透镜元件的表面包括球面、平滑的非球面、或平整/扁平表面中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述近程光学系统包括七个折射透镜元件，其中所述近程光学系统中的所述透镜元件的表面包括球面、平滑的非球面、或平整/扁平表面中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述近程光学系统和所述远程光学系统中的一者或二者为像空间远心透镜。
6.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述近程光学系统和所述远程光学系统中的一者或二者包括光学带通滤波器。
7.根据权利要求1所述的遥感系统，其中所述传感器各自包括一个或多个单光子雪崩检测器。
8.一种用于接收来自物场的反射光的远程光学系统，包括：
五个折射透镜元件，所述五个折射透镜元件将从20米或更远范围内反射的光折射至光电探测器，其中所述折射透镜元件的表面是球面、平滑的非球面、或平整/扁平表面；
其中所述光学系统的视场为15度或更小，并且其中所述光学系统的焦比为1.2或更小。
9.根据权利要求8所述的远程光学系统，其中所述五个折射透镜元件包括按顺序从所述光学系统的物侧到所述光学系统的像侧的以下元件：
第一透镜元件，其中所述第一透镜元件为具有正折射力的双凸透镜；
第二透镜元件，其中所述第二透镜元件为具有负折射力的平凹透镜；
第三透镜元件，其中所述第三透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第四透镜元件，其中所述第四透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；和
第五透镜元件，其中所述第五透镜元件为具有负折射力的双凹透镜。
10.根据权利要求9所述的远程光学系统，其中所述光学系统还包括：
光阑，所述光阑位于所述第二透镜元件和所述第三透镜元件之间；和
光学带通滤波器，所述光学带通滤波器位于所述第二透镜元件的所述像侧表面。
11.根据权利要求8所述的远程光学系统，其中所述五个折射透镜元件包括按顺序从所述光学系统的物侧到所述光学系统的像侧的以下元件：
第一透镜元件，其中所述第一透镜元件为具有正折射力的平凸透镜；
第二透镜元件，其中所述第二透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第三透镜元件，其中所述第三透镜元件为具有负折射力的双凹透镜；
第四透镜元件，其中所述第四透镜元件为具有正折射力的双凸透镜；和
第五透镜元件，其中所述第五透镜元件为具有正折射力的弯月透镜。
12.根据权利要求11所述的远程光学系统，其中所述光学系统还包括：
光阑，所述光阑位于所述第一透镜元件和所述第二透镜元件之间；和
光学带通滤波器，所述光学带通滤波器位于所述第一透镜元件的所述像侧表面。
13.根据权利要求8所述的远程光学系统，其中所述远程光学系统为像空间远心透镜。
14.一种用于接收来自物场的反射光的近程光学系统，包括：
多个折射透镜元件，所述多个折射透镜元件将从20米或更近范围内反射的光折射至光电探测器，其中所述折射透镜元件的表面是球面、平滑的非球面、或平整/扁平表面；
其中所述近程光学系统的视场介于45度和65度之间，并且其中所述近程光学系统的焦比为2.0或更小。
15.根据权利要求14所述的近程光学系统，其中所述多个折射透镜元件包括按顺序从所述光学系统的物侧到所述光学系统的像侧的以下元件：
第一透镜元件，其中所述第一透镜元件为具有负折射力的弯月透镜；
第二透镜元件，其中所述第二透镜元件为具有正折射力的双凸透镜；
第三透镜元件，其中所述第三透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第四透镜元件，其中所述第四透镜元件为具有正折射力的平凸透镜；
第五透镜元件，其中所述第五透镜元件为具有负折射力的弯月透镜；和
第六透镜元件，其中所述第六透镜元件为具有正折射力的双凸透镜。
16.根据权利要求15所述的近程光学系统，其中所述光学系统还包括：
光阑，所述光阑位于所述第二透镜元件和所述第三透镜元件之间；和
光学带通滤波器，所述光学带通滤波器位于所述第四透镜元件的所述物侧表面。
17.根据权利要求14所述的近程光学系统，其中所述多个折射透镜元件包括按顺序从所述光学系统的物侧到所述光学系统的像侧的以下元件：
第一透镜元件，其中所述第一透镜元件为具有负折射力的弯月透镜；
第二透镜元件，其中所述第二透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第三透镜元件，其中所述第三透镜元件为具有正折射力的平凸透镜；
第四透镜元件，其中所述第四透镜元件为具有正折射力的平凸透镜；
第五透镜元件，其中所述第五透镜元件为具有正折射力的双凸透镜；和
第六透镜元件，其中所述第六透镜元件为具有负折射力的双凹透镜；和
第七透镜元件，其中所述第七透镜元件为具有正折射力的弯月透镜。
18.根据权利要求15所述的近程光学系统，其中所述光学系统还包括：
光阑，所述光阑位于所述第一透镜元件的所述物侧；和
光学带通滤波器，所述光学带通滤波器位于所述第四透镜元件和所述第五透镜元件之间。
19.根据权利要求14所述的近程光学系统，其中所述多个折射透镜元件包括按顺序从所述光学系统的物侧到所述光学系统的像侧的以下元件：
第一透镜元件，其中所述第一透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第二透镜元件，其中所述第二透镜元件为具有负折射力的弯月透镜；
第三透镜元件，其中所述第三透镜元件为具有正折射力的弯月透镜；
第四透镜元件，其中所述第四透镜元件为具有正折射力的双凸透镜；
第五透镜元件，其中所述第五透镜元件为具有负折射力的弯月透镜；和
第六透镜元件，其中所述第六透镜元件为具有正折射力的平凸透镜。
20.根据权利要求15所述的近程光学系统，其中所述光学系统还包括：
光阑，所述光阑位于所述第二透镜元件和所述第三透镜元件之间；和
光学带通滤波器，所述光学带通滤波器位于所述第六透镜元件的所述物侧表面。
21.根据权利要求14所述的近程光学系统，其中所述近程光学系统为像空间远心透镜。
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