CN109477912B - 光接收装置和激光雷达 - Google Patents

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Abstract

提供一种光接收装置和包括该光接收装置的激光雷达。光接收装置包括：第一透镜，其包括用于接收来自外部的光的第一透镜表面和用于改变由第一透镜表面接收的光的路径并将光输出至外部的第二透镜表面；以及透射穿过第二透镜表面的光入射在其上的传感器，其中，第一透镜表面是球面，第二透镜表面是非球面，并且第一透镜的焦点偏离传感器的传感器表面。

Description

光接收装置和激光雷达
技术领域
本发明涉及一种被配置成使以广角角度入射的光的效率提高的高效光接收装置，涉及一种被配置成有效地增加动态范围的光接收装置，并且涉及包括上述光接收装置的激光雷达。
背景技术
最近，智能车辆和智慧汽车领域需要主动的车辆响应功能以应对意外情况。也就是说，需要预先确定威胁驾驶员和行人安全的情况，例如，识别行人突然出现，在暗夜偏离照明的地方处提前检测障碍物，下雨时在前照灯的照明下降的情况下检测障碍物，或检测道路破坏。
为了满足这些要求，使用安装在挡风玻璃上或车辆前侧的扫描仪来基于发射的光源确定物体，并且通过向ECU(电子控制单元)发送作为用于使车辆自行停止或避开物体的基础的图像并获得该图像来预先警告驾驶员。
传统的扫描仪使用RaDAR(无线电探测和测距)装置。RaDAR是一种无线电探测系统，其使用无线电波(10cm至100cm的超高频波)通过接收从物体反射的电磁波来确定物体的范围、方向、高度或速度，并用于车辆扫描仪。然而，存在缺点，因为RaDAR昂贵，因此不容易用于各种类型的车辆。
为了解决上述缺点，已经开发出使用LiDAR(光检测和测距)的扫描仪。LiDAR是一种测量方法，也被称为激光雷达，该方法通过用脉冲激光照射目标并使用反射器或散射器利用传感器测量反射脉冲来测量至目标的距离或大气现象。通过时钟脉冲来计算反射光的时间量度，其中带宽为 30MHz时为5m的分辨率，并且带宽为150MHz时为1m的分辨率。
激光雷达中的传感器必须稳定地接收各个方向的信号，即从广角入射的信号。更具体地，车辆激光雷达需要提高以包括在相关范围内的所有角度中的广角(对应于与X轴成约+70度至-70度的范围和对应于与Y轴成约+3.4度至-3.4度的范围)入射的光的效率。
为了使典型的车辆激光雷达接收以高于预定水平的所述广角入射的所有光的信号，已经使用了通过电机沿着光接收部和发光部移动的同轴方法。
然而，该电机方法的缺点在于，由于光接收部和发光部的同步、电机的加入而增加了制造成本，并且模块的整体尺寸也增大了。此外，当将同一盖透镜用于光接收部和发光部时，另一缺点是由于散射而难以获得光接收部的增强的性能。
此外，激光雷达模块通常使用高灵敏度APD(avalanche photo diode，雪崩光电二极管)来增加测量距离。然而，当使用APD时，在测量少量光的方面可能是有利的，但是可能遇到具有不能响应大量光的物理限制的“死区”。
因此，死区的问题归结为设置在激光雷达模块上的检测器的动态范围的问题，导致破坏了激光雷达的准确测量。
发明内容
[技术问题]
第一示例性实施方式的目的是提供一种高效光接收透镜，其被配置成将以广角的角度入射的光的效率提高到预定水平以上。
第一示例性实施方式的另一目的是提供一种高效光接收透镜，其被配置成使得通过经由散焦方法穿过透镜的光能够在传感器表面上具有预定区域而将光效率保持在预定水平之上，即使入射角增大亦如此。
第一示例性实施方式的又一目的是提供一种高效光接收透镜，其通过设置透射光的量在即使光的入射角改变的情况下变化率也不大的散焦透镜而适合于响应于高于预定水平的光量的传感器。
第二示例性实施方式的目的是提供一种光接收装置，其被配置成增加动态范围，其通过改变光接收元件的增益能够增加动态范围。
第二示例性实施方式的另一目的是提供一种光接收装置，其被配置成通过使得改变光接收元件的增益的偏置电压能够与发光元件的光输出同步来增加提供至光接收元件的动态范围。
第二示例性实施方式的又一目的是提供一种光接收装置，其被配置成增加动态范围，以解决在使用APD时无法响应相对大量的光的死区问题。
[技术解决方案]
为了解决上述技术问题，根据第一示例性实施方式的光接收透镜模块可以包括：光接收透镜，其形成有用于接收来自外部的光的第一透镜表面；以及用于改变由第一透镜表面接收的光的路径并将光输出至外部的第二透镜表面，其中，通过允许包括光接收透镜的光轴的剖面与第二透镜表面相交形成的至少一个或更多个线段可以具有预定的曲率，并且通过允许包括光接收透镜的光轴的剖面与第二透镜表面相交形成的至少一个线段可以是曲率变化的线段。
在第一示例性实施方式中，通过允许包括光接收透镜的光轴的剖面与第一透镜表面相交形成的至少一个或更多个线段可以具有预定的曲率。
在第一示例性实施方式中，光接收透镜模块还可以包括用于检测通过从外部入射到光接收透镜上而依次穿过第一透镜表面和第二透镜表面的光的传感器，其中可以使到达光接收透镜的光散焦以能够达到在传感器的感测区域上具有预定区域的形状。
在第一示例性实施方式中，可以响应于X轴的相对于第一透镜表面的入射角和Y轴的相对于第一透镜表面的入射角中的至少一个或更多个来改变预定区域。
在第一示例性实施方式中，X轴的入射角可以包括最大
Figure GDA0002784258090000031
至
Figure GDA0002784258090000032
的范围。
在第一示例性实施方式中，Y轴的入射角可以包括最大
Figure GDA0002784258090000033
至
Figure GDA0002784258090000034
的范围。
在第一示例性实施方式中，依次穿过第一透镜表面和第二透镜表面的光可以到达远离传感器的中心的位置，因为X轴的相对于第一透镜表面的入射角和Y轴的相对于第一透镜表面的入射角中的入射角的至少一个或更多个通过散焦增大。
在第一示例性实施方式中，传感器可以设置在光轴上。
在第一示例性实施方式中，光接收透镜可以具有正(+)折射率。
在第一示例性实施方式中，光接收透镜模块还可以包括：介于传感器与第二透镜表面之间以提高入射在传感器上的光的效率的单独的透镜或单独的结构。
在第一示例性实施方式中，光接收透镜模块还可以包括：至少一个或更多个连接部，其形成在连接第一透镜表面和第二透镜表面的表面上，以物理地连接光接收透镜和光接收部。
在第一示例性实施方式中，连接部中的至少每个或更多个可以包括至少一个或更多个突起。
为了解决上述问题，根据另一第一示例性实施方式的使得光从外部入射到达传感器的包括第一透镜表面和第二透镜表面的光接收透镜可以使得：当在光接收透镜的高度方向上延伸的光轴被定义为Z轴，垂直于Z 轴以通过穿过Z轴上的一个点而形成交叉点并在透镜的长度方向上延伸的轴被定义为X轴，垂直于X轴和Z轴以穿过X轴和Z轴的交叉点并且在透镜的宽度方向上延伸的轴被定义为Y轴，包括X轴和Z轴的虚拟平面被定义为第一虚拟平面，并且包括Y轴和Z轴的虚拟平面被定义为第二虚拟平面表面时，通过允许第一虚拟平面表面与第一透镜表面相交形成的线段的曲率可以是恒定的，通过允许第二虚拟平面表面与第一透镜表面相交而形成的线段的曲率可以是恒定的，通过允许第一虚拟平面表面与第二透镜表面相交形成的线段的曲率可以是恒定的，并且通过允许第二虚拟平面表面与第二透镜表面相交而形成的线段的曲率可以不是恒定的。
为了解决上述问题，根据本发明的第二示例性实施方式的光学装置可以包括：光接收元件，用于检测从对象反射和透射的光；电压部，向光接收元件提供第一偏置电压或第二偏置电压；以及控制器，用于控制电压部，使得从电压部提供的第二偏置电压与发光部的光输出同步以将第二偏置电压提供至光接收元件。
在第二示例性实施方式中，第二偏置电压可以包括其中将子偏置电压与第一偏置电压相加的电压。
在第二示例性实施方式中，子偏置电压可以包括在+50V至-50V的范围内。
在第二示例性实施方式中，子偏置电压可以包括随时间变化的AC形或脉冲形电压。
在第二示例性实施方式中，控制器可以使得发光部和电压部可以同时被输入种子信号，并且电压部可以基于输入种子信号的时间输出第二偏置电压。
为了解决上述问题，根据另一第二示例性实施方式的激光雷达模块可以包括：光接收元件，用于检测从对象反射和透射的光；第一电压部，用于向光接收元件提供偏置电压；第二电压部，用于向光接收元件提供子偏置电压；以及控制器，用于控制第二电压部，使得子偏置电压与发光部的光输出同步，以将子偏置电压提供至光接收元件。
为了解决上述问题，根据本发明另一第二示例性实施方式的激光雷达模块可以包括：光接收元件，其用于检测从对象反射和透射的光；第一电压部，其用于向光接收元件提供偏置电压；第二电压部，其用于向光接收元件提供子偏置电压；以及MPD(监测光电二极管)，其用于控制第二电压部，利用检测的光输出使得从发光部输出的光输出与子偏置电压同步，并被提供至光接收元件。
在第二示例性实施方式中，子偏置电压可以包括在最大+50V至-50V 的范围内。
在第二示例性实施方式中，子偏置电压可以包括随时间变化的AC形或脉冲形电压。
在第二示例性实施方式中，控制器可以使得发光部和第二电压部被同时输入种子信号，并且第二电压部可以基于输入种子信号的时间输出子偏置电压。
在第二示例性实施方式中，监测光电二极管可以响应于检测到的光输出将种子信号输入至第二电压部，并且第二电压部可以基于输入种子信号的诗句输出子偏置电压。
[有益效果]
根据第一示例性实施方式中的至少一个，以广角的角度入射的光的效率可以增加至预定水平。
此外，根据第一示例性实施方式中的至少一个，通过使得经由散焦方法穿过透镜的光在传感器表面上能够具有预定区域，可以将光效率保持为高于预定水平，即使入射角增大亦如此。
此外，根据第一示例性实施方式中的至少一个，通过设置即使光的入射角度变化透射光量的变化率也不大的散焦透镜而响应于高于预定水平的光量的传感器是适合的。
此外，根据第二示例性实施方式中的至少一个，可以通过改变光接收元件的增益来增加动态范围。
此外，根据第二示例性实施方式中的至少一个，改变光接收元件的增益的偏置电压可以与发光元件的光输出同步，并且可以将偏置电压提供至光接收元件。
此外，根据第二示例性实施方式中的至少一个，当使用APD时，可以解决不响应相对大量光的死区问题。
附图说明
图1是示出接收在与车辆激光雷达中的X轴成约
Figure GDA0002784258090000062
至
Figure GDA0002784258090000061
的范围以及与Y轴成约
Figure GDA0002784258090000063
至
Figure GDA0002784258090000064
的范围对应的广角上入射的光的示例的示意图。
图2是示出根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜的第一剖面的示意图。
图3是示出根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜的第二剖面的示意图。
图4示出根据本发明的第一示例性实施方式的随着入射在第一透镜上的光的入射角增大，入射角远离传感器表面的中心的示例。
图5是示出根据本发明的第一示例性实施方式的当第一透镜散焦时设置在传感器表面上、远离传感器表面的中心的区域的示例的示意图。
图6是根据本发明的第一示例性实施方式在第一透镜与图像传感器之间添加第二透镜或机构时的示意图。
图7至图10是示出实际实施根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜的示例的示意图。
图11是示出在传统激光雷达模块中将ADP用作光接收元件的示例的示意图。
图12是示出响应于图11的传统激光雷达模块的温度变化或响应于偏置电压而改变增益的示例的示意图。
图13是示出根据本发明的第二示例性实施方式的当光接收装置中的温度恒定时响应于偏置电压的变化而使APD的增益增加以增加动态范围的示例的示意图。
图14是示出根据本发明第二示例性实施方式的光学装置的示意图。
图15至图17是示出施加至图14的光学装置中的光接收元件的子偏置电压及其第二偏置电压的示意图。
图18是示出根据本发明第三示例性实施方式的激光雷达模块的示意图。
图19是示出根据本发明第四示例性实施方式的激光雷达模块的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，其中相同或相似的元件将被提供相同的附图标记而无论绘图如何，并且将省略对其的冗余说明。如本文中所使用的，后缀“模块”和“部”可以用于元件以便于公开。可以不对后缀本身赋予重要的含义或作用，并且应理解，“模块”和“部”可以一起使用或可互换使用。此外，在描述本发明时，可以省略对用于说明本领域中已知的示例性实施方式的构造或过程的详细描述，以避免让关于这些已知构造和功能的不必要的细节使对本发明的理解模糊。此外，本文中使用的附图是仅为了帮助容易理解说明书中公开的示例性实施方式的目的，而不旨在限制总体发明构思，并且应当理解的是，在不背离所附权利要求中公开的本发明的范围和主旨的情况下，可以在包括在总体发明构思的情况下进行各种修改、添加和替换。
应当理解的是，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。
当元件或层被称为“在……上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、接合至、连接至或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在......上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，不存在中间元件或层。如本文中所使用的，术语“一”和“一个”是可以与单个项或多个项结合使用的开放术语。
术语“包含(comprises)”、“含有(comprising)”、“包括”和“具有”是非排他性的，因此指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
本发明包括四个示例性实施方式。第一示例性实施方式涉及一种使用散焦的第一透镜和激光雷达的光接收装置。第二、第三和第四示例性实施方式涉及一种光学装置和激光雷达，其被配置成通过改变光接收元件的增益来增加动态范围，并且使用APD作为光接收元件来解决对相对大量的光没有响应的死区。
首先，将描述第一示例性实施方式。在下文中，在描述第一示例性实施方式时，“光轴”可以表示第一透镜(100)的光轴。“光轴”可以形成为垂直方向(上/下方向)。“第一透镜的主轴”和“第一透镜的短轴”可以是与第一透镜上的“光轴”正交的轴，并且可以是在第一透镜上彼此相互正交的轴。“第一透镜的主轴”和“第一透镜的短轴”可以设置在垂直于“光轴”的平面表面上。尽管可以仅存在一个“光轴”，但只要满足上述条件，可以存在多个“第一透镜的主轴”和“第一透镜的短轴”。“第一透镜的主轴”的长度可以长于“第一透镜的短轴”的长度。在附图中所示的正交坐标系中，z轴可以是“与光轴平行的轴”，x轴可以是“第一透镜的主轴”中的一个，y轴可以是“第一透镜的短轴”中的一个。
图1是示出接收在与车辆激光雷达中的X轴成约+70°至-70°的范围以及与Y轴成约+3.4°至-3.4°的范围对应的广角上入射的光的示例的示意图。
如上所述，在智能车辆和智慧汽车领域中，必须从例如距离识别传感器和/或运动识别传感器接收各种方向的信号，即，必须接收广角信号以积极应对意外情况。
如图1中所示，设置在安装在车辆上的激光雷达上的光接收部(110) 必须在相对恒定的基础上接收包括相关范围的所有角度中的从与X轴成大约
Figure GDA0002784258090000081
至
Figure GDA0002784258090000082
的范围(120)和与Y轴成约
Figure GDA0002784258090000083
至
Figure GDA0002784258090000084
的范围(130) 对应的广角入射的光。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。对于本领域的技术人员来说明显的是，本发明可以在本发明的主旨和范围内以其他特定的修改来实施。
然而，通过图2至图6描述的第一透镜(200)仅简单地示出了引入本发明的特征功能的基本元件，因此，本领域的技术人员应该容易理解的是，本发明中可以包括其他各种元件。第一透镜(200)可以被称为“高效光接收透镜”。
图2是示出根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜(200)的第一剖面的示意图。这里，第一剖面可以是第一透镜(200)的主轴方向的剖面。因此，第一剖面可以为多个。多个第一剖面中的图2中示出的第一剖面可以是包括所有x轴和y轴的第一剖面。
参照图2，第一透镜(200)可以包括第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)。如图2所示，第一剖面上的第一透镜表面(201)可以形成为在光源(或对象)方向上具有凸起形状，并且第二透镜表面(202) 可以形成为在传感器(240)方向上具有凹入形状或在光源(或对象)方向上具有凸起形状。
第一剖面上的第一透镜表面(201)可以具有球面形状。现在，将更详细地描述第一透镜表面(201)的球面形状。通过允许包括第一透镜(200) 的光轴和第一透镜表面(201)的剖面相交而形成的线段中的至少一个线段可以具有预定的曲率。
这里，光轴可以是不产生折射的光的路径，并且根据其他表达，光轴可以指在第一透镜(200)的垂直方向上的中心轴。同时，由于第一透镜表面的相关的半球面形状，第一剖面上的第一透镜表面(201)可以基本上均匀地接受以包括与X轴成最大
Figure GDA0002784258090000091
至
Figure GDA0002784258090000092
的范围的所有角度入射的光量。
根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)可以具有正(+)折射率。
另一方面，可以在第二透镜表面(202)下方设置传感器(240)。更具体地，优选地，传感器(240)设置在作为第一剖面上的第一透镜表面 (201)或第二透镜表面(202)的形状的半球面形状或半圆形形状的中心。半球面形状或半圆形形状的中心可以是当通过延伸给定的半球或半圆形成完整的球体或圆形时的球面或圆形的中心。此外，传感器(240)的中心可以设置在半球面形状或半圆形形状的中心处。此外，传感器(240) 可以(图2的z轴方向)与半球面形状或半圆形形状的中心间向下地隔开。
此外，作为详细的示例性实施方式，根据第一示例性实施方式的在高效光接收透镜(200)的x轴方向上的长度(210)可以为43.8mm，并且作为相关的半球面形状的半径长度(220)的、从半球面形状的中心至第一透镜表面(201)的距离可以为43.8mm的长度的一半的21.9mm。此外，传感器(240)可以(图2的-Z轴方向)与半球面形状的中心向下地间隔开约2mm至5mm。
同时，通过第一剖面切割的第一透镜(200)的长度的比率，更具体地，半球面形状的半径长度(220)与在第一透镜(200)的x轴方向上的长度(210)之间的比率，可以在满足1：21.9的范围内可变地改变。更具体地，相关的切割长度比率优选地包括1：25至1：35。
此外，当根据第一示例性实施方式的第一长度(200)的厚度(图3 的附图标记230)、第一透镜表面(201)的半径长度(220)或直径(210) 增加时，或者透镜的总表面积增加时，透镜中接受到的光的总量可以增加，结果，优选地，检测入射光的传感器的直径(D)增加。
图3是示出根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜(200)的第二剖面的示意图。这里，第二剖面可以是在第一透镜(200)的短轴方向上的剖面。因此，第二剖面可以是多个。多个第二剖面中的图3中示出的第二剖面可以是包括所有y轴和z轴的第二剖面。
参照图3，第二剖面上的第一透镜表面(201)可以具有球面形状，第二透镜表面可以具有非球面形状。
现在，将更详细地描述第二透镜表面(202)的非球面形状。通过允许包括第一透镜(200)的光轴(z轴)的剖面和第二透镜表面(202)相交形成的线段中的至少一个线段可以具有非预定的曲率。
同时，由于相关的非球面形状，第二剖面上的第二透镜表面(202) 可以增加与y轴方向成+4°至-4°入射的光的效率。
根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)可以在焦点上偏离传感器(240)的传感器表面(410)。在这种情况下，第一透镜(200)可以设置成允许焦点在光轴方向(z轴)上散焦到传感器(240)的传感器表面(410)。结果，穿过第一透镜(200)的光可以以具有预定区域的形状 (非点)到达传感器(240)的传感器表面(410)。
在根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)的第二剖面上的第一透镜表面(201)的球面形状中，第一透镜表面(201)的厚度(230)可以为26.5mm。
同时，可以通过x轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角和y轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角中的至少一个来改变通过散焦到达传感器(240)的感测区域的预定区域。
优选地，x轴上的入射角包括
Figure GDA0002784258090000111
至
Figure GDA0002784258090000112
的范围，并且y轴上的入射角包括
Figure GDA0002784258090000113
至
Figure GDA0002784258090000114
的范围。通过以下图4和图5继续对其进行说明。
图4示出了根据本发明的第一示例性实施方式，随着入射在第一透镜上的光的入射角增加，入射角与传感器表面的中心远离的示例。
从图4可以看出，在第一示例性实施方式的第一透镜(200)上入射的入射角中的y轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角在从0度、1.7 度和3.4度依次增加时远离传感器表面(410)的中心。
因此，如果第一透镜(200)的焦点被布置为与传感器(240)的传感器表面(410)匹配，则焦点可以集中到一个点以到达传感器表面(410)。因此，在y轴方向上以3.4度入射的光由于入射到传感器表面(410)的外部，因此可能无法检测到。
相反，通过前述第一示例性实施方式的第一透镜(200)的散焦入射在传感器表面(410)上的光可以入射到不是点的区域。图5是示出在根据第一示例性实施方式的高效光接收透镜上入射的光被散焦并入射在传感器表面上的示例的示意图。
参照图5，在根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)中，当y 轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角与0°相比增加至3.4°时，虽然穿过第二透镜表面(202)的光可以到达远离传感器表面(410)的中心 (B)的位置，但是至少一部分由于不是入射在点上而是入射在表面上而可以被感测和检测。
同时，可以确定，可以根据x轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角和y轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角中的至少一个来改变在其上穿过第二透镜表面(202)的光到达传感器(240)的感测区域的预定区域。
例如，当透镜由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)形成，并且光源以与传感器(240)间隔30m的距离在x轴上移动至
Figure GDA0002784258090000116
至
Figure GDA0002784258090000115
的范围，并且光源在y轴上移动至
Figure GDA0002784258090000117
至
Figure GDA0002784258090000118
的范围时，可以输出对应于1W功率的光，并且当传感器(230)的感测表面(410)的直径为2mm时，入射在传感器(240)上的光的量可以为3nW。
此时，当入射角为0°时，穿过设置在传感器表面(410)处的第二透镜表面(202)的光的预定区域的直径可以为约2.2mm，并且当入射角为3.4°时，穿过设置在传感器表面(410)上的第二透镜表面(202)的光的预定区域的直径可以为约2.1mm。
也就是说，当传感器的传感器表面(410)的直径为约2mm时，并且当入射角为0°时，穿过第二透镜表面(202)的光可以以约90％的面积比到达传感器表面(410)，并且当入射角为3.4°时，穿过第二透镜表面(202)的光可以以约60％的面积比到达传感器表面(410)。
x轴的相对于与其相关的第一透镜表面(201)的入射角和y轴的相对于第一透镜表面(201)的入射角的各种示例性实施方式可以参考下面的表1。
[表1]
Figure GDA0002784258090000121
同时，对于在详细示例中使用根据第一示例性实施方式的第一透镜的情况和没有透镜的情况，各种示例性实施方式如下表2中示出。
[表2]
Figure GDA0002784258090000122
也就是说，散焦的第一透镜(200)可以适合于如下传感器(410)：该传感器(410)如表1和表2所示对光量变化率不会变化很大的预定量的光作出反应，即使光的入射角度改变亦如此。
图6是根据本发明的第一示例性实施方式在第一透镜(200)与图像传感器(410)之间添加相互不同的透镜或机构以提高入射在传感器(401) 上的光的效率时的示意图。
参照图6，如前所述，传感器(410)可以设置在第一透镜(200)的中心下部。这里，可以在第一透镜(200)与传感器(410)之间另外设置单独的不同透镜或光学机构(300)以提高光学(光)效率。
更具体地，图6示出了半球面形状的第二透镜(300)介于第一透镜 (200)与传感器(240)之间的示例。
在根据表1和表2的详细示例中，对于仅使用第一透镜(200)的情况和另外使用第二透镜(300)的情况，在下面的表3中示出了各种示例性实施方式。
[表3]
Figure GDA0002784258090000131
也就是说，当PMMA材料的第二透镜(300)设置在传感器(240) 上时，入射在传感器(240)上的光量可以如表3所示地增加。更具体地，当第二透镜(300)的半径为约2.2mm时，可以确定的是，光学效率与第二透镜(300)不可用时的光学效率(参考)相比增加约两倍。
同时，图6的传感器(240)也可以如前所述地(图2中的-z轴方向) 与半球面形状的中心向下间隔开约2mm至5mm。
图7至图10是示出实际实施根据本发明第一示例性实施方式的第一透镜的示例的示意图。
首先，如图7所示，可以更详细地确定上述图2的第一剖面。更具体地，图7的高效光接收透镜可以包括：将第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)连接的第三平面表面(205)和多个支承腿(209)。
这里，多个相关的支承腿(209)是允许根据本发明的第一透镜物理连接至形成有传感器的光接收部的元件，并且可以如图7所示设置在第一剖面上的距第一透镜表面(201)的远端间隔约5.8mm的位置处。
接下来，如果参照图8，则可以更具体地确定前述图3的第二剖面。
如图8所示，多个支承腿(209)可以设置在第二剖面上与第一透镜表面(201)的远端间隔开约5.2mm的位置处。此外，多个支承腿(209) 中的每一个的厚度可以为约
Figure GDA0002784258090000141
并且通过多个支承腿从将第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)连接的第三平面表面(205)和第四平面表面(206)突出的长度可以为约3.5mm。
同时，第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)在光轴上间隔开的距离可以约为14mm，并且作为从半球面形状的中心到第一透镜表面(201)的距离的相关的半球面形状的半径长度可以如上所述为约21.9 mm。
接下来，可以从图9详细地具体确定在形成根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)的多个表面中的通过图7和图8提及的将第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)连接的第三平面表面(205)和第四平面表面(206)。
同时，如图2所示，在根据第一示例性实施方式的第一透镜的x轴(图 2的X轴)上的长度可以约为43.8mm，并且如图3所示，形成在第一透镜(200)上的第一透镜表面(201)的厚度可以为约26.5mm。
最后，可以从图10确定通过图7至图9的2D(二维)形状说明的根据本发明的第一透镜的3D(三维)形状。
更具体地，优选地，实际实现的通过图7至图10说明的第一透镜的示例满足下面的表4和表5以及等式1中描述的数值，其中S1和S2分别表示球面的第一透镜表面(201)和非球面的第二透镜表面(202)。
[表4]
Figure GDA0002784258090000151
这里，第二透镜表面(202)的涂层可以被配置为执行带通功能，用于仅检测根据第一示例性实施方式的通过第一透镜(200)预设的波长。
[表5]
S1 S2
Y曲率 0.0753843126 -0.0521044905
Y半径 13.2653593961 -19.1922037933
圆锥常数(K) - -
A(第4) - 0.0001549820
B(第6) - 3.6450096648e-08
C(第8) - -
[等式1]
Figure GDA0002784258090000152
等式1表示非球面的数值表达式，其中R可以为-19.1922037933，K 可以为0，B4可以为0.0001549820，B6可以为3.6450096648e-8，并且 B10、B12和B14可以分别为0。
可以参照图7至图10更详细地说明根据本发明的第一示例性实施方式的第一透镜(200)。
首先，在第一透镜(200)的高度方向上延伸的光轴可以被定义为z 轴(例如，图2的z轴)，垂直于z轴以穿过z轴上的一个点并且形成交叉并且在第一透镜的长度方向上延伸的轴可以被定义为x轴(例如，图2 的x轴)，垂直于x轴和z轴以穿过x轴与z之间的交叉点并且在第一透镜的宽度方向上延伸的轴可以被定义为y轴(例如，图2的y轴)，包括相关的x轴和z轴的虚拟平面表面可以被定义为第一虚拟平面表面(例如，图2的第一剖面)，并且包括相关的y轴和z轴的虚拟平面表面可以被定义为第二虚拟平面表面(例如，图3的第二剖面)。
此时，如图7至图10所示，由第一虚拟平面表面与第一透镜的第一透镜表面相交形成的线段的曲率可以是恒定的，并且由第二虚拟平面表面与第一透镜的第一透镜表面相交形成的线段的曲率可以是恒定的。
此外，由第一虚拟平面表面与第一透镜的第二透镜表面相交形成的线段的曲率可以是恒定的，并且由第二虚拟平面表面与第一透镜的第二透镜表面相交形成的线段的曲率可以不是恒定的。
同时，图7至图10中所示的多个支承腿(209)的形状和数量可以是将第一透镜和光接收部连接的详细示例性实施方式，并且应当注意的是，不排除包括在第一透镜中的其他类型的形状或其他数量的支承腿。
总之，根据第一示例性实施方式的第一透镜可以在没有机械元件(诸如，电机)的情况下将仅使用透镜的以光学角度中的所有角度入射的光的效率增加至预定水平，并且通过经由透镜散焦方法穿过透镜的光被允许在传感器表面上具有预定区域，使得即使入射角增加，光的效率也可以保持在预定水平以上，由此第一透镜可以适合于对高于预定水平的光量作出反应的传感器。
在下文中，将参照图1至图10详细描述根据第一示例性实施方式的第一透镜的结构。
根据第一示例性实施方式的第一透镜(200)可以包括：第一透镜表面(201)，其用于接收来自外部的光；以及第二透镜表面(202)，其用于改变由第一透镜表面(201)接收的光的路径并将光输出至外部。此外，第一透镜(200)还可以包括第一平面表面(203)、第二平面表面(204)、第三平面表面(205)、第四平面表面(206)和第五平面表面。
第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)可以分别是光穿过的光学表面。第一平面表面(203)、第二平面表面(204)和第五平面表面可以分别是在制造第一透镜(200)时产生的平面表面。第三平面表面(205) 和第四平面表面(206)可以分别是用于将第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)连接的连接表面。
传感器(240)可以由穿过第二透镜表面(202)的光入射。此外，第一透镜(200)的焦点的特征在于可以从传感器(240)的传感器表面 (241)偏离(散焦)。优选地，第一透镜(200)的焦点在光轴方向上与传感器(240)的传感器表面(241)偏离。也就是说，从第一透镜(200) 的焦点到传感器(240)的传感器表面(241)的距离可以比焦距更长或比焦距更短。
第一透镜表面(201)可以包括第一球面(201-1)。第一透镜表面(201) 可以呈半球面形状，而第二透镜表面(202)可以包括第一非球面(202-1)、第二非球面(202-2)和第三非球面(202-3)。第二透镜表面(202)可以是非球面。
第一非球面(202-1)可以设置在第一透镜(200)的短轴方向(y轴) 的一侧的远端，第三非球面(202-3)可以设置在第一透镜(200)的短轴方向(y轴)的另一侧的远端，并且第二非球面(202-2)可以设置在第一非球面(202-1)与第三非球面(202-3)之间。
参照图3，在第一非球面(202-1)与第二非球面(202-2)之间，在第一透镜(200)的短轴方向(y轴)的剖面处可以存在拐点，并且在第三非球面(202-3)与第二非球面(202-2)之间，在第一透镜(200)的短轴方向(y轴)的剖面处可以存在拐点。
现在参照图2和图3，第一球面(201-1)、第一非球面(202-1)、第二非球面(202-2)和第三非球面(202-3)可以形成为在第一透镜(200) 的主轴方向(x轴)的剖面上在与设置有传感器(240)的方向相反的方向上具有凸曲率，并且第二非球面(202-2)可以形成为在第一透镜(200) 的短轴方向(y轴)的剖面上在设置有传感器(240)的方向上具有凸曲率。
第一球面(201-1)可以在第一透镜(200)的主轴方向(x轴)的剖面上具有正(+)屈光力。第一非球面(202-1)、第二非球面(202-2)和第三非球面(202-3)可以在第一透镜(200)的主轴方向(x轴)的剖面上具有负(-)屈光力。
第一球面(201-1)和第二非球面(202-2)可以在第一透镜(200) 的短轴方向(y轴)上的剖面上具有正(+)屈光力。第一非球面(202-1) 和第三非球面(202-3)可以在第一透镜(200)的短轴方向(y轴)的剖面上具有负(-)屈光力。第二非球面(202-2)可以在第一透镜(200) 的短轴方向(y轴)的剖面上具有正(+)屈光力。
现在，参照图9和图10，第一透镜(200)可以包括第一平面表面(203)，其设置在第一球面(201-1)上的第一透镜(200)的短轴方向(y轴)上的一侧的远端与第一非球面(202-1)上的第一透镜(200)的短轴方向(y 轴)上的一侧的远端之间。
此外，第一透镜(200)可以包括第二平面表面(204)，第二平面表面(204)设置在第一球面(201-1)上的第一透镜(200)的短轴方向(y 轴)上的另一侧的远端与第三非球面(202-1)上的第一透镜(200)的短轴方向(y轴)上的另一侧的远端之间。
第一平面表面(203)和第二平面表面(204)可以垂直于第一透镜 (200)的短轴(y轴)。第一平面表面(203)和第二平面表面(204)可以是当通过模塑制造第一透镜(200)时产生的表面。布置有夹具、滑动模具或固定模具以在模塑过程中固定第一透镜(200)，并且在模塑之后，可以产生具有第一平面表面(203)和第二平面表面(204)的第一透镜 (200)。
参照图9和图10，第一透镜(200)可以包括第三平面表面(205)，第三平面表面(205)设置在第一球面(201-1)上的第一透镜(200)的主轴方向(x轴)上的一侧的远端与第一非球面(202-1)、第二非球面(202-2) 和第三非球面(202-3)上的第一透镜(200)的主轴方向(x轴)上的一侧的远端之间。
此外，第一透镜(200)可以包括第四平面表面(206)，第四平面表面(206)设置在第一球面(201-1)上的第一透镜(200)的主轴方向(x 轴)上的另一侧的远端与第一非球面(202-1)、第二非球面(202-1)和第三非球面(202-3)上的第一透镜(200)的主轴方向(x轴)上的另一侧的远端之间。
第三平面表面(205)和第四平面表面(206)可以垂直于第一透镜 (200)的主轴。第三平面表面(205)和第四平面表面(206)可以是用于连接第一透镜表面(201)和第二透镜表面(202)并用于支承第一透镜(200)的表面。为此，第三平面表面(205)和第四平面表面(206) 可以设置有多个支承腿(209)。
第一透镜(200)还可以包括设置在第一球面(201-1)与第三平面表面(205)之间的第五平面表面(未示出)以及设置在第一球面(201-1) 与第四平面表面(206)之间的第六平面表面(未示出)。第五平面表面 (未示出)和第六平面表面(未示出)可以设置为关于光轴对称。第五平面表面(未示出)和第六平面表面(未示出)可以与光轴平行。第五平面表面(未示出)和第六平面表面(未示出)可以分别是在使用模塑制造多个第一透镜(200)期间切割多个第一透镜(200)时产生的切割表面。
在使用图9和图10进行更详细的说明时，第一透镜(200)还可以包括多个支承腿(209)。
多个支承腿(209)可以包括：设置在第三平面表面(205)上的第一支承腿(209-1)；第二支承腿(209-2)，其设置在第三平面表面(205) 上并在第一透镜(200)的短轴方向(y轴)上与第一支承腿(209-1)间隔开；设置在第四平面表面(206)上的第三支承腿(209-3)；以及第四支承腿(209-4)，其设置在第四平面表面(206)上并且在第一透镜(200) 的短轴方向(y轴)上与第三支承腿(209-3)间隔开。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的第二、第三和第四示例性实施方式。对于本领域的技术人员来说明显的是，本发明可以在本发明的主旨和范围内以其他特定形状实施。
图11是示出在传统激光雷达模块中将ADP用作光接收元件的示例的示意图。
参照图11，传统激光雷达模块可以包括电压部(1110)、限流电阻器 (1120)、电容器(1130)、光接收元件(APD，1140)、读出电路(1150)、发光部(TX)(1160，1170)和TDC(时间数字转换器，1180)。
首先，发光部(1160，1170)可以包括输出光的光源(1170)。这里，光源(1170)可以是激光二极管，并且激光二极管(LD)可以输出激光束。
同时，尽管图11至图19中的光源(1170，1470，1570，1670)被示为一个激光二极管(LD)，但是光源(1170，1470，1570，1670)是为了便于说明本发明而被示为一个激光二极管(LD)，应该注意的是，不排除该在根据本发明的发光装置中可以包括多个光源(激光二极管)的构思。
此外，电压部(1110)可以是用于向光接收元件(1140)施加(或提供)偏置电压(1111)的元件，其中可以通过限流电阻器(1120)和电容器(1130)确定施加至光接收元件(1140)的电压的大小。
同样地，尽管光接收元件(1140，1440，1540，1640)在图11至图 19中也被示为一个雪崩光电二极管(APD)，但是光接收元件(1140，1440， 1540，1640)是为了便于说明本发明而被示为一个APD，并且应当注意的是，不排除光接收装置可以包括根据本发明的多个光接收元件的构思。
读出电路(1150)可以将与光接收元件(1140)检测到的光相对应的信号发送至TDC(1180)，并且包括在发光部(1160，1170)中的Tx端子(1160)也可以将与通过光源(1170)输出的光对应的参考信号发送至TDC(1180)。
特别地，电压部(1110)的偏置电压和光接收元件(APD，1140)的增益可以保持预定的关系，其细节将使用图12继续说明。
图12是示出增益响应于图11的传统激光雷达模块的温度变化或响应于偏置电压而改变的示例的示意图。
可以从图12确定在特定波长(λ＝800nm)的光中的施加至光接收元件(更具体地，APD)的偏置电压(X轴)与APD的增益(Y轴)之间的关系。另外，还可以确定根据环境温度的、相关偏置电压(X轴)与增益 (Y轴)之间的关系的变化。
参照图12，可以注意的是，当增益轴(Y轴)固定为100并且温度从-20摄氏度增加至40摄氏度(A到B)时，施加至APD的偏置电压必须从大约210V增加至大约245V，以获得相同的增益(例如，100)。
同时，基于APD温度条件是0摄氏度并且偏置电压是200V，并且为了获得对应于10到100的范围的增益，可以注意的是，基于施加至APD 的200V偏置电压，必须将与约20V的APD波动宽度对应的约180V至220V 的偏置电压施加至APD。
也就是说，为了在预定温度条件下和特定波长的光下调节(或控制) APD的增益，可以注意到的是，需要偏置电压的变化。结果，第二示例性实施方式提出了一种光接收装置，其中，根据偏置电压的变化改变APD 的增益，并且动态范围可以作为其结果被控制。
图13是示出根据本发明的第二示例性实施方式的当光接收装置中的温度恒定时响应于偏置电压的变化而增加APD的增益以增加动态范围的示例的示意图。
参照图13，可以从图13中确定在恒温条件(25℃)下的施加至光接收元件(更具体地，APD)的偏置电压(X轴)、APD的增益(左侧的Y 轴)和截止频率(右侧的Y轴)之间的关系。
更详细地，为了获得使得APD的增益从(从C到D)大约20增加至大约80的增益，可以注意到的是，施加至APD的偏置电压从约120V(310) 增加至约155V(320)。
因为，在由此增加的偏置电压中，响应于APD测量的光的频率也增加，并且增加的频率是小于截止频率的频率，因此根据第二示例性实施方式，包括在光接收装置中的响应于增加的偏置电压的APD也可用于测量少量光并也可用于测量大量光。
总而言之，第二示例性实施方式可用于防止由传统激光雷达模块产生不可测量的死区，结果，可以增加动态范围。
图14是示出根据本发明的第二示例性实施方式的光学装置的示意图。
参照图14，包括根据本发明的光学装置的激光雷达模块可以包括电压部(1410)、限流电阻器(1420)、电容器(1430)、光接收元件(APD， 1440)、读出电路(1450)、发光部(1460，1470)和控制器(主B/D，1480)。
然而，在引入根据本发明的特定功能时通过图4至图6说明的光学装置和激光雷达模块仅用必要元件示出，因此，对于本领域的技术人员来说光学装置和激光雷达模块中可以包括各种其他元件是明显的。
图14中所示的限流电阻器(1420)、电容器(1430)、光接收元件(APD， 1440)、读出电路(1450)和发光部(1460，1470)与图11中已经说明的基本相同，因此将省略对其的任何冗余说明，并且将说明作为根据本发明的光学装置的特征元件的电压部(1410)和控制器(1480)。
电压部(1410)可以是用于提供(或施加)检测通过从对象反射而透射的光的光接收元件(1440)的操作所需的电压的元件，并且可以输出(1411)第一偏置电压或第二偏置电压。
这里，第二偏置电压可以是将子电压加到第一偏置电压的电压。此外，第一偏置电压可以为约10V至300V之间的DC电压，并且如图12中所说明的，其值可以根据温度而改变。
在对其的更详细的说明中，第一偏置电压可以为130V，其是通过图 13说明的C点处的偏置电压，并且第二偏置电压可以为155V，其是图3 的D点处的偏置电压。在这种情况下，子偏置电压可以约为35V。
同时，图13中所示的偏置电压示出了通过子偏置电压使得第二偏置电压增加的示例，其可以说明图14的示例实施方式，但是相反，当子偏置电压是负(-)电压时，显然第二偏置电压可以小于第一偏置电压，并且根据本发明的光接收装置不排除该示例。
控制器(1480)可以是用于控制电压部(1410)的操作的元件。更具体地，控制器(1480)可以控制电压部(1410)，使得第一偏置电压中的第二偏置电压从电压部(1410)提供，并且第二偏置电压与发光部(1460， 1470)的光输出同步以提供(1441)至光接收元件(1440)。
为此，控制器(1480)可以将种子信号(1481，1482)同时输入至包括在发光部(1460，1470)中的Tx端子(1460)和电压部(1410)，并且作为结果，电压部(1410)可以基于输入相关的种子信号(1481)的时间来输出(1441)第二偏置电压。
总而言之，本发明的响应于控制器(1480)的操作的光接收装置可以仅在从包括在发光装置(1460，1470)中的光源(1470)输出光的情况下选择性地增加(或控制)光接收元件(1440)的增益。
也就是说，可以在使用APD作为根据本发明的光接收元件的激光雷达模块中有效地增加(或控制)动态范围。
同时，可以响应于用作光接收元件的APD的特性来改变子偏置电压，但是优选地，子偏置电压包括在最大+50V至-50V的范围内，并且可以包括相对于时间变化的AC或脉冲型电压。
此外，当子偏置电压是AC或脉冲型电压时，子偏置电压的中值可以位于约-50V至约100V之间，并且其类型可以变成线性形状或阶梯形状。
图15至17是示出施加至图14的光学装置中的光接收元件的子偏置电压及其第二偏置电压的示意图。
参照图15、图16和图17，曲线图中的Y轴表示电压，并且X轴表示时间。此外，G(V)表示子偏置电压的示例，G(V)+F(V)表示第二偏置电压的示例。
更具体地，图15至图17可以示出当第一偏置电压{F(V)}为100V 时，由与对应于G(V)的子偏置电压相加的第二偏置电压{G(V)+F(V)}。
图18是示出根据本发明第三示例性实施方式的激光雷达模块的示意图。
参照图18，根据本发明的激光雷达模块可以包括第一电压部(1510)、限流电阻器(1520)、电容器(1530)、光接收元件(APD，1540)、读出电路(1550)、发光部(1560，1570)、控制器(主B/D，1580)和第二电压部(1590)。
图18中所示的限流电阻器(1520)、电容器(1530)、光接收元件(APD， 1540)、读出电路(1550)和发光部(1560，1570)与图11至图14中说明的基本相同，因此将省略对其的任何冗余说明，并且将说明作为特征元件的第一电压部(1510)、控制器(1580)和第二电压部(1590)。
第一电压部(1510)和第二电压部(1590)可以分别是用于提供(或施加)检测通过从对象反射而透射的光的光接收元件(1540)的操作所需的电压的元件。
更具体地，第一电压部(1510)可以向光接收元件提供偏置电压 (1511)，第二电压部(1590)可以向光接收元件提供子偏置电压(1591)。
这里，施加至光接收元件(APD，1540)的电压可以是将由第一电压部(1510)提供的偏置电压(1511)与由第二电压部(1590)提供的子偏置电压(1591)相加的电压。此外，从第一电压部(1510)提供的偏置电压(1511)可以为约10V至300V之间的DC电压，并且如图12中所说明的，其值可以根据温度而改变。
在对其的更详细的说明中，从第一电压部(1510)提供的偏置电压可以是120V，其是通过上述图13说明的C点处的偏置电压，并且偏置电压可以为约35V，其是作为图13的D点处的偏置电压的155V与作为 C点处的偏置电压的120V之间的差(减法)。
也就是说，在D点处的光接收元件(APD，1540)的一端可以被施加大约155V，其中，作为从第一电压部(1510)提供的偏置电压(1511) 的120V与作为子偏置电压(1591)的35V相加。结果，光接收元件(APD， 1540)可以在约800Mhz的截止频率下具有大约80的增益的情况下操作。
控制器(1580)可以是用于控制第二电压部(1590)的操作的元件。更具体地，控制器(1580)可以控制第二电压部(1590)，使得由第二电压部(1590)提供的偏置电压(1591)与发光部(1560，1570)的光输出同步以将偏置电压(1591)提供至光接收元件(1540)。
为此，控制器(1580)可以将种子信号(1581，1582)同时输入至包括在发光部(1560，1570)中的Tx端子(1560)和第二电压部(1590)，并且结果，第二电压部(1590)可以基于输入相关的种子信号(1581) 的时间输出子偏置电压。
总而言之，本发明的响应于控制器(1580)的操作的激光雷达模块可以仅在从包括在发光装置(1560，1570)中的光源(1570)输出光的情况下选择性地增加(或控制)光接收元件(1540)的增益。
图19是示出根据本发明的第四示例性实施方式的激光雷达模块的示意图。
参照图19，根据本发明的激光雷达模块可以包括第一电压部(1610)、限流电阻器(1620)、电容器(1630)、光接收元件(APD，1640)、读出电路(1650)、发光部(1660，1670)、控制器(主B/D，1680)、第二电压部(1690)和监测光电二极管(MPD，1700)。
图19中所示的限流电阻器(1620)、电容器(1630)、光接收元件(APD， 1640)、读出电路(1650)和发光部(1660，1670)与图11和图18中已经说明的基本相同，因此将省略对其的任何冗余说明，并且将说明第一电压部(1610)、第二电压部(1690)和监视光电二极管(MPD，1700)。
第一电压部(1610)和第二电压部(1690)可以分别是用于提供(或施加)检测通过从对象反射而透射的光的光接收元件(1640)的操作所需的电压的元件。
更具体地，第一电压部(1610)可以向光接收元件提供偏置电压 (1611)，第二电压部(1690)可以向光接收元件提供子偏置电压(1691)。
这里，施加至光接收元件(APD，1640)的电压可以是将由第一电压部(1610)提供的偏置电压(1611)与由第二电压部提供的子偏置电压 (1691)相加的电压。此外，从第一电压部(1610)提供的偏置电压(1611) 可以是在约10V到约300V之间的DC电压，并且如图12中所说明的，其值可以根据温度而改变。
在对其的更详细说明中，从第一电压部(1610)提供的偏置电压(1611) 可以是120V，其是通过上述图13说明的C点处的偏置电压，并且从第二电压部(1690)提供的子偏置电压(1691)可以为约35V，其是作为图 13的D点处的偏置电压的155V与作为C点处的偏置电压的120V之间的差(相减)。
也就是说，在D点处的光接收元件(APD，1640)的一端可以施加大约155V，其中，将作为从第一电压部(1610)提供的偏置电压(1611) 的120V与作为子偏置电压(1691)的35V相加。结果，光接收元件(APD， 1640)可以在约800Mhz的截止频率下具有大约80的增益的情况下操作。
此外，监测光电二极管(MPD，1700)是用于控制第二电压部(1690) 的操作的元件。更具体地，MPD(1700)可以检测(1701)从发光部(1660， 1670)输出的光输出，并且控制(1702)第二电压部(1690)，使得由第二电压部(1690)提供的子偏置电压(1691)与发光部(1660，1670) 的光输出同步，以将子偏置电压(1691)提供至光接收元件(1640)。
为此，MPD(1700)可以响应于从发光部(1660，1670)输出的光输出中的检测到的光输出(1701)的一部分，将种子信号(1702)输入至第二电压部(1690)，结果，第二电压部(1690)可以基于输入相关的种子信号(1702)的时间输出子偏置电压(1691)。
总而言之，本发明的响应于MPD(1700)的操作的激光雷达模块可以仅在从包括在发光装置(1660，1670)中的光源(1670)输出光的情况下选择性地增加(或控制)光接收元件(1640)的增益。
也就是说，根据图18和图19中所示的第三和第四示例性实施方式，使用APD作为光接收元件，在激光雷达模块中可以有效地增加(或控制) 动态范围。
同时，尽管子偏置电压可以响应于所使用的APD的特性而改变，但是优选地，子偏置电压包括在+50V至-50V的最大范围内，并且可以包括随时间改变的AC或脉冲型电压。
此外，当子偏置电压是AC或脉冲型电压时，子偏置电压的中值可以位于约-50V至约100V之间，并且其类型可以变成线性形状或阶梯形状，这已经通过图14进行了详细地说明。
总而言之，根据第二、第三和第四示例性实施方式的用于增加动态范围的光接收装置可以通过改变光接收元件的增益来增加动态范围，并且当APD用作光接收元件时，可以解决不能对相对大量的光作出反应的死区问题。
迄今为止的详细说明不应在所有方面被有限的理解，而应视为示例性的。本发明的范围应通过对所附权利要求进行合理解释来确定，并且在本发明的等同范围内的所有变化都应包括在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种光接收装置，包括：
第一透镜，其包括用于接收来自外部的光的第一透镜表面和用于改变由所述第一透镜表面接收的光的路径并将光输出至外部的第二透镜表面；以及
传感器，透射穿过所述第二透镜表面的光入射在所述传感器上，
其中，所述第一透镜表面是球面，所述第二透镜表面是非球面，并且所述第一透镜的焦点偏离所述传感器的传感器表面，其中，所述第一透镜表面包括第一球面，所述第二透镜表面包括第一非球面、第二非球面和第三非球面，
其中，所述第一非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的一侧的远端上，所述第三非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的另一侧的远端上，并且所述第二非球面介于所述第一非球面与所述第三非球面之间，
其中，所述第一球面、所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面形成为在与所述第一透镜的主轴方向的剖面上设置有所述传感器的方向相反的方向上具有凸曲率，以及
其中，所述第二非球面形成为在所述第一透镜的短轴方向的剖面上设置有所述传感器的方向上具有凸曲率。
2.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，所述第一透镜的焦点从所述传感器的传感器表面偏向光轴方向。
3.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，从所述第一透镜的主点到所述传感器的传感器表面的距离比焦距短或比焦距长。
4.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，在所述第一透镜的短轴方向的剖面上在所述第一非球面与所述第二非球面之间存在第一拐点，并且
其中，在所述第一透镜的短轴方向的剖面上在所述第三非球面与所述第二非球面之间存在第二拐点。
5.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，所述第一透镜包括：
第一平面表面，所述第一平面表面设置在所述第一球面上的所述第一透镜的短轴方向的一侧的远端与所述第一非球面上的所述第一透镜的短轴方向的一侧的远端之间；以及
第二平面表面，所述第二平面表面设置在所述第一球面上的所述第一透镜的短轴方向的另一侧的远端与所述第三非球面上的所述第一透镜的短轴方向的另一侧的远端之间，以及
其中，所述第一平面表面和所述第二平面表面垂直于所述第一透镜的短轴。
6.根据权利要求5所述的光接收装置，其中，所述第一平面表面和所述第二平面表面是当通过模塑制造所述第一透镜时产生的表面。
7.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，所述第一透镜包括：
第三平面表面，所述第三平面表面设置在所述第一球面上的所述第一透镜的主轴方向的一侧的远端与所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面上的所述第一透镜的主轴方向的一侧的远端之间；和
第四平面表面，所述第四平面表面设置在所述第一球面上的所述第一透镜的主轴方向的另一侧的远端与所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面上的所述第一透镜的主轴方向的另一侧的远端之间，
其中，所述第三平面表面与所述第四平面表面垂直于所述第一透镜的光轴。
8.根据权利要求7所述的光接收装置，其中，所述第一透镜包括多个支承腿，以及
其中，所述多个支承腿包括：设置在所述第三平面表面上的第一支承腿；第二支承腿，其设置在所述第三平面表面上，并且在所述第一透镜的短轴方向上与所述第一支承腿间隔开；设置在所述第四平面表面上的第三支承腿；以及第四支承腿，其设置在所述第四平面表面上，并在所述第一透镜的短轴方向上与所述第三支承腿间隔开。
9.根据权利要求7所述的光接收装置，其中，所述第一透镜包括：第五平面表面，所述第五平面表面设置在所述第一球面和所述第三平面表面之间；以及第六平面表面，所述第六平面表面设置在所述第一球面和所述第四平面表面之间，
其中，所述第五平面表面和所述第六平面表面被设置为关于光轴对称。
10.根据权利要求9所述的光接收装置，所述第五平面表面和所述第六平面表面分别是在使用模塑制造多个第一透镜期间切割所述多个第一透镜时产生的切割表面。
11.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，所述第一球面在所述第一透镜的主轴方向的剖面上具有正(+)屈光力，所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面在所述第一透镜的主轴方向的剖面上具有负(-)屈光力。
12.根据权利要求1所述的光接收装置，其中，所述第一球面和所述第二非球面具有在所述第一透镜的短轴方向上的剖面上具有正(+)屈光力，并且所述第一非球面和所述第三非球面在所述第一透镜的短轴方向的剖面上具有负(-)屈光力。
13.一种光接收装置，包括：
第一透镜，其包括用于接收来自外部的光的第一透镜表面和用于改变由所述第一透镜表面接收的光的路径并将光输出至外部的第二透镜表面；和
传感器，透射穿过所述第二透镜表面的光入射在所述传感器上，
其中，所述第一透镜表面包括第一球面，所述第二透镜表面包括第一非球面、第二非球面和第三非球面，
其中，所述第一非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的一侧的远端上，所述第三非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的另一侧的远端上，并且所述第二非球面设置在所述第一非球面与所述第三非球面之间，
其中，所述第一球面在所述第一透镜的主轴方向的剖面上具有正(+)屈光力，所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面在所述第一透镜的主轴方向的剖面上具有负(-)屈光力，
其中，所述第一球面和所述第二非球面在所述第一透镜的短轴方向的剖面上具有正(+)屈光力，并且所述第一非球面和所述第三非球面在所述第一透镜的短轴方向的剖面上具有负(-)屈光力，以及
其中，所述第一透镜的焦点偏离所述传感器的传感器表面。
14.根据权利要求13所述的光接收装置，其中，所述第一透镜的焦点从所述传感器的传感器表面偏向光轴方向。
15.根据权利要求13所述的光接收装置，其中，从所述第一透镜的主点到所述传感器的传感器表面的距离比焦距短或比焦距长。
16.一种激光雷达，包括：
用于发出光的发光装置；和
光接收装置，其用于接收从所述发光装置发出的光，
其中，所述光接收装置包括：
第一透镜，其包括用于接收来自外部的光的第一透镜表面和用于改变由所述第一透镜表面接收的光的路径并将光输出至外部的第二透镜表面；和
传感器，透射穿过所述第二透镜表面的光入射在所述传感器上，
其中，所述第一透镜表面是球面，所述第二透镜表面是非球面，并且所述第一透镜的焦点偏离所述传感器的传感器表面，其中，所述第一透镜表面包括第一球面，所述第二透镜表面包括第一非球面、第二非球面和第三非球面，
其中，所述第一非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的一侧的远端上，所述第三非球面设置在所述第一透镜的短轴方向的另一侧的远端上，并且所述第二非球面介于所述第一非球面与所述第三非球面之间，
其中，所述第一球面、所述第一非球面、所述第二非球面和所述第三非球面形成为在与所述第一透镜的主轴方向的剖面上设置有所述传感器的方向相反的方向上具有凸曲率，以及
其中，所述第二非球面形成为在所述第一透镜的短轴方向的剖面上设置有所述传感器的方向上具有凸曲率。
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