CN110914702A - 具有小角发散度的vcsel阵列lidar发送器 - Google Patents

具有小角发散度的vcsel阵列lidar发送器 Download PDF

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Abstract

光检测和测距(LIDAR)发送器包括生成多个光束的多个光发射器。第一透镜被定位在多个光束的光路中，与多个光发射器中的至少一个的距离小于第一透镜的焦距。第一透镜将多个光束会聚为具有光束腰的会聚光束。第二透镜被定位在会聚光束的光路中。第二透镜将会聚光束投射到目标范围。第二透镜的位置和多个光发射器中的至少一个的发射宽度被配置为在目标范围处提供LIDAR发送器的期望视场。

Description

具有小角发散度的VCSEL阵列LIDAR发送器
本文使用的章节标题仅用于组织目的，不应当以任何方式被解释为限制本申请中描述的主题。
相关申请章节
本申请是2017年7月28日提交的题为“VCSEL Array LIDAR Transmitter withSmall Angular Divergence”的共同待决的美国临时专利申请序列号62/538,149的非临时申请。美国专利申请序列号62/538,149的全部内容通过引用并入本文。
发明内容
自主、自驾驶和半自主汽车使用诸如雷达、图像识别相机和声纳之类的不同传感器和技术的组合来检测和定位周围物体。这些传感器使得能够在驾驶员安全方面进行大量改善，包括碰撞警告、自动紧急制动、车道偏离警告、车道保持辅助、自适应巡航控制和自动驾驶。在这些传感器技术中，光检测和测距(LIDAR)系统起着使得能够对周围环境进行实时、高分辨率3D映射的关键作用。
附图说明
在以下详细描述中，结合附图，更特别地描述了根据优选的和示例性实施例的本教导及其另外的优点。本领域技术人员将理解的是，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明教导的原理上。附图不旨在以任何方式限制申请人的教导的范围。
图1图示了根据本教导的LIDAR系统的操作。
图2图示了根据本教导的使用两个激光器的LIDAR系统的实施例。
图3图示了根据本教导的用于LIDAR发送器的多发射器激光源的实施例。
图4图示了本教导的用于LIDAR发送器的照明器(illuminator)的实施例的横截面图。
图5A图示了本教导的单波长2D多发射器LIDAR发送器的实施例的测量点云。
图5B图示了根据本教导的双波长2D多发射器LIDAR发送器的实施例的测量点云。
图6图示了在本教导的LIDAR发送器的一些实施例中使用的现有技术的底部发射VCSEL激光器的结构的示意图的透视图。
图7图示了根据本教导的具有二十五个单独的激光发射器的2D单片VCSEL阵列的实施例的示意图。
图8图示了根据本教导的具有包括子孔径的二十五个单独的激光发射器的2D单片VCSEL阵列的实施例的示意图。
图9图示了根据本教导的图示由单个透镜LIDAR发送器系统中的单个发射器投射的光的示意图。
图10图示了根据本教导的由单个透镜LIDAR发送器系统中的多个发射器投射的光的示意图。
图11A图示了示出由具有高角发散度发射器的单个透镜LIDAR系统中的多个发射器投射的光的扩展视图的示意图。
图11B图示了图示示出远场的由图11A的系统投射的光的凝聚视图的示意图。
图12图示了根据本教导的在小角发散度LIDAR发送器中投射光的双透镜照明器的实施例的示意图。
图13图示了根据本教导的多发送器阵列小角发散度LIDAR发送器的实施例的示意图。
图14A图示了根据本教导的利用在单个基板上的多个发送器阵列的小角发散度LIDAR发送器照明器的扩展视图的示意图。
图14B图示了图14A的小角发散度LIDAR发送器的凝聚视图的示意图。
图15图示了本教导的小角发散度LIDAR发送器的实施例的缩放的凝聚视图的示意图，其指示了发送器阵列之间分离的相对独立性。
图16图示了根据本教导的用于使用多个发送器阵列的多波长LIDAR系统的照明器的实施例。
图17图示了可以用结合图16描述的照明器生成的测量点云。
具体实施方式
现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意味着本教导限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，本教导包含各种替代方案、修改和等效物。能够访问本文教导的本领域普通技术人员将认识到附加的实现、修改和实施例，以及其它使用领域，这些都在本文所述的本公开的范围内。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指的是同一个实施例。
应该理解的是，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要该教导保持可操作即可。此外，应该理解的是，本教导的设备和方法可以包括任何数量的或全部所描述的实施例，只要该教导保持可操作即可。
本教导涉及光检测和测距系统(LIDAR)，该系统测量到反射和/或散射光的各种物体或目标的距离。期望LIDAR系统具有小的占用面积、高的测量分辨率和高的检测灵敏度。基于VCSEL阵列的发送器承诺提供这些好处。这些基于VCSEL阵列的LIDAR发送器需要在光学设计方面进行改进，以便提高性能并减小LIDAR系统的尺寸、重量、功率、成本和复杂性。作为一个示例，需要在紧凑的包装中产生小角发散度的LIDAR发送器设计。
图1图示了在车辆中实现的根据本教导的LIDAR系统100的操作。LIDAR系统100包括将由光源生成的光束102投射到目标场景的激光投射器(也称为照明器)以及接收从在该目标场景中的物体(被示出为人106)反射的光104的接收器。LIDAR系统通常还包括根据反射光计算关于物体106的距离信息的控制器，以及可以扫描或提供光的特定图案的元件，该特定图案可以是跨期望范围和视场(FOV)的静态图案。接收器和控制器用于将接收到的信号光转换成表示落在LIDAR系统范围和FOV内的周围环境的逐点3D映射的测量值。在各种实施例中，取决于特定应用，控制器可以是简单的电路或可以是更复杂的处理器。
形成照明器的激光源和光束投射装置以及接收器可以位于车辆108的前侧。人106和/或另一个物体，诸如汽车或灯杆，将提供从源反射回接收器的光，并且到那个物体的范围或距离被确定。如本领域中已知的，LIDAR接收器基于从光源发射的光脉冲的飞行时间测量来计算范围信息。此外，使用关于照明与特定范围相关联的目标平面中的场景的光束轮廓和基于源和投射器系统的特定设计的已知信息来确定关于反射表面的地点信息，从而生成场景的完整x，y，z或三维图片。换句话说，周围环境的逐点3D映射表示测量数据的集合，其指示来自将照明从源反射到LIDAR系统的视场内的接收器的所有表面的位置信息。以这种方式，获得LIDAR系统的视场中的物体的3D表示。逐点3D数据映射也可以称为测量点云。
本教导的一个特征是照明器可以包括发射具有独立的、不同的波长的光束的激光器。典型地，LIDAR系统不利用不同的激光波长来改善LIDAR系统的角分辨率。特别地，本教导的一些实施例的LIDAR系统的一个特征在于，它们使用多个激光波长以在低成本、紧凑的光学设计中实现更精细的角分辨率和性能。此外，本教导的多波长LIDAR系统可以提供改善安全性和并行化的简单途径。参见，例如，2017年3月3日提交的题为“Multi-WavelengthLIDAR System”的美国专利申请序列号15/456,789和2016年9月19日提交的题为“WDMLidar System”的美国专利申请序列号62/396,295。美国专利申请序列号15/456,789和62/396,295两者均已转让给本受让人并且在此通过引用并入本文。
图2图示了根据本教导的使用两个激光器的多波长LIDAR系统200的实施例。第一激光器202以第一波长操作，并且第二激光器204以第二波长操作。激光器可以包括集成的或单独的准直光学器件，该准直光学器件形成光学投射元件的一部分，该光学投射元件用于在跨LIDAR系统的FOV和范围的各种目标平面处形成光束轮廓。照明器206还可以包括光学器件208，该光学器件208进一步使光束成形并投射光束以在目标平面210处形成特定光束轮廓。在各种实施例中，可以使用不同类型的光学器件来形成光学投射元件，包括例如，透镜、衍射光学器件、棱镜、薄膜波长敏感器件和部分反射镜中的一种或多种。可以使用单透镜或多透镜光学元件。
接收器212接收从在LIDAR系统的FOV和范围中的各个目标平面210处的物体的表面反射的光。如果使用不同的波长，则接收器212可以能够区分来自由源202、204发射的两个波长的光。在这种情况下，来自每个波长的反射照明被单独处理。控制器214用于处理接收到的光。控制器214在输出216处提供LIDAR数据。控制器214的复杂性取决于LIDAR系统的特定配置。控制器214可以用于控制激光源202、204。在各种实施例中，控制器214可以包括各种电路、集成电路、微处理器或计算机。将N个相同或不同波长的激光器添加到图2中所示的LIDAR系统中是相对简单的。在一些实施例中，存在使光准直并提供期望FOV的附加光学元件。
如本文描述的投射元件为在特定方向上使激光束或多个激光束准直或以其它方式成形和投射的元件。投射元件可以包括位于光束路径中的一个或多个光学器件。这些器件及其位置连同从激光源发射的一个或多个光束的初始形状和路径一起产生期望的光束轮廓，该光束轮廓是在空间中的特定点处的光束形状和/或光束位置的组合。在LIDAR系统的接收器处接收到从物体反射的光后，该系统生成基于照明器投射的光的图案及其性能参数(包括角分辨率和视场)的测量点云或逐点数据映射。
本教导的一个特征是能够使用不同波长在紧凑系统中产生不同的LIDAR FOV、范围和/或分辨率。以两个或更多个波长的光束可以能够共享形成投射元件的至少一些相同的光学器件，并且仍然实现不同的光束轮廓，这些光束轮廓产生表示在每个波长的不同范围和/或FOV和/或分辨率的测量点云。例如，使用信号波长的现有技术LIDAR系统的一个问题是达到100米范围所需的发射功率太高，以至于接收器对于近距离反射(例如，几米)饱和。因此，这些现有技术的LIDAR系统看不到近处的物体。这个问题可以用双波长系统来解决，其中第一波长用于100米范围，而第二波长具有低功率，仅用于近距离测量。可以使用具有并行计算能力的控制器同时执行多波长测量。将该配置扩展到两个以上的波长是相对简单的。
本教导的另一个特征是可以添加具有附加波长的激光器以执行除LIDAR测距之外的其它功能。例如，可以添加附加的激光器以提供对LIDAR系统内的光学器件的朝向的测量。来自这些源的处于附加波长处的光可以用作提供投射光束和/或复制或扫描光束的元件的角度测量的单一目的。在一些实施例中，MEM器件用于投射光束，并且具有镜子位置的直接反馈会是重要的。与适当的接收器测量系统组合的另一个激光器可以提供镜子位置的直接角度测量。上述实施例的自然扩展将是在每种情况下使用相同波长的多个激光器，即，每个波长的激光器的1D或2D阵列，而不是每个波长的单个激光器。
在一些系统中，单个大透镜用于准直以及设置每个VCSEL器件的投射角度。应当注意的是，代替单个透镜，可以将两个或更多个透镜用作共享透镜配置的一部分。将共享光学器件用于准直和投射角度的一个方面是在VCSEL器件相对于透镜的中心轴的横向位置和投射的激光束的指向角之间存在直接映射。相同或相似波长的两个VCSEL激光器之间的横向距离将对应于由共享透镜系统创建的投射角度的差异。
此外，由于VCSEL器件不是理想的点源，而是具有有限的横向尺寸，因此在不缩小整个光学系统的FOV的情况下，将存在不能被光学器件降低的附加发散度。并且，取决于VCSEL的有限尺寸、准直光束的发散度、VCSEL器件的数量以及FOV和其它参数，使用具有相同或相似波长的激光器的共享光学方法可能导致3D测量跨度中的光束重叠或间隙。
本教导的LIDAR系统的一个特征是使用具有发射孔径的簇(cluster)的VCSEL芯片以利用由这些器件提供的更高的光功率和大直径簇。如本文所述，VCSEL器件不是理想的点源，而是具有有限的横向维度。此外，用于LIDAR照明的高功率顶部发射VCSEL激光器通常使用多个发光子孔径来达到所需的高功率输出。这些多个子孔径形成簇或组，并且理想地尽可能地物理上靠近，同时仍然维持所需的电光效率。
在一些实施例中，VCSEL阵列是二维阵列。在一些实施例中，VCSEL阵列是单片的，并且激光器都共享公共的基板。可以使用多种公共的基板类型。例如，公共基板可以是半导体材料。公共基板也可以包括陶瓷材料。
在一些实施例中，VCSEL是顶部发射VCSEL。在其它实施例中，VCSEL是底部发射VCSEL。各个VCSEL可以具有单个大的发射孔径，或者各个VCSEL可以由较大的有效发射直径内的两个或更多个子孔径形成。形成较大的有效发射区域的一组子孔径有时被称为簇。
图3图示了在垂直方向上具有均匀交错的两个不同的VCSEL波长的多元件发射器激光源300。图3中示出的实施例图示了单个公共基板304，但对于本领域技术人员将清楚的是，也可以使用多个基板。有六个VCSEL条306、308。条306的簇VCSEL器件302以一个公共波长发射。这些是在图中被标记为“VCSELλ1”的条306。暗条308的簇VCSEL器件302以不同的波长发射。在图中条308被标记为“VCSELλ2”。总共示出了三十个簇VCSEL器件302。
结合图3的多元件发射器激光源300使用的照明器可以使用用于在期望的FOV内准直和投射光束的共享透镜系统。图4图示了本教导的用于多波长LIDAR系统的照明器400的实施例的横截面图，该照明器400使用图3中示出的多波长激光源。照明器400包括多发射器激光源402以及包括波长多路复用器406和第一透镜408的投影元件404。投影元件404用于投影从激光源402发射的激光束410、412。用于多发射器激光源402的发射器位于VCSEL基板414上。
图4中的投射元件404包括两个光学器件406、408。第一光学器件是波长多路复用器406，该波长多路复用器406是波长敏感光学器件，其用于将以两个波长之一并且来自一条光路的激光束410与另一条光路上的以两个波长中的另一个波长的激光束412组合到公共光路上。在一些实施例中，波长多路复用器包括衍射光学器件，该衍射光学器件被配置为基本上使一个波长的光路移位，同时让第二波长不受干扰地通过。衍射光学元件在本领域中是众所周知的，并且可以用于提供激光的精确光束操纵和光束成形。在一些实施例中，使用波长敏感的衍射光学元件。在其它实施例中，使用折射光学器件(诸如棱镜)的阵列。第二器件是透镜408，其用于进一步投射和使激光束410、412成形，以在LIDAR系统的目标平面处形成期望的光束形状图案和光束位置。
图4图示了来自两个不同波长的VCSEL条的光如何穿过光学系统。为了清楚起见，仅示出了来自两个VCSEL发射器的激光束410、412被光线跟踪。图4仅图示了单个透镜408，但是，本领域技术人员将清楚如何用图4中图示的多波长系统来实现如例如结合下面的图12描述的双透镜或多透镜系统。
在操作中，来自由照明器在目标平面处形成的光束轮廓的光是从该目标平面中的物体的表面反射的。LIDAR系统中的目标平面是在完整的范围和视场内操作的虚拟参考点。在离LIDAR模块各种距离处存在许多不同的目标平面，使得系统可以生成被LIDAR系统探测到的视场和范围中的物体的三维表示。从由目标平面中的光束轮廓照明的物体的表面反射的光的一部分被引导到接收器。接收器检测到光，然后将接收到的光信号转换成电信号。电连接到光源和接收器的控制器将接收到的信号转换成测量点云。测量点云中的点的角分辨率取决于目标平面处的光束轮廓的相对位置，如下面进一步描述的。本领域技术人员将清楚的是，图4中所示的照明器400的实施例的许多其它变型都在本教导的范围内。例如，VCSEL激光器可以位于或者平面或者弯曲的公共表面中。本领域技术人员还将清楚的是，可以允许VCSEL从弯曲的或平坦的中心表面的一些偏离。
图5A图示了根据本教导的单波长2D激光源照明的实施例的测量点云500。测量点504的垂直间隔502之间的距离确定垂直角分辨率。点云上的点的水平间隔506确定点云的水平角分辨率。
图5B图示了本教导的双波长2D激光源照明的实施例的测量点云550。对应于具有λ1的VCSEL的测量点被示出为圆形552，具有λ2的VCSEL的测量点被示出为三角形554。复合点云包括从在λ1处接收到的反射导出的点云和从在λ2处接收到的反射导出的点云。
例如，图5B中所示的测量点云550可以使用具有图3中所示的不同波长的VCSEL发射器的图案的多发射器激光源以及图4的照明器配置来实现。来自由目标平面处的照明器生成的光束的光的一部分被物体的表面反射并且入射在能够检测到特定波长的光的一个或多个光接收器上。结果得到的测量点云550包括表示来自处于不同波长的不同光束轮廓的光的点。
参考图3-5，不同波长的VCSEL条306、308在垂直方向上占据激光源的不同行，并且不同行中的各个VCSEL器件302的中心在水平方向上偏移。来自不同波长条的发射器的光束被投射元件404投射，使得光束位置在垂直方向上在目标平面处稍微偏移。这导致测量点云中的偏移556。相邻条中VCSEL的中心位置的偏移与投射元件的设计一起使得表示每个波长的测量点沿着偏移垂直线水平交错。给定维度中的测量的角分辨率与该维度中的点的偏移直接相关，该偏移与目标平面处的该维度中的光束的位置直接相关。
参考图5A-B两者，与使用双波长分辨率相关联的性能折衷是清楚的。在图5B的实施例中，一个波长的光束基本上不间断地行进，但是第二波长的光束有意地在位置中移位以在一个方向上与以第一波长的光束基本重叠。可以基于波长多路复用器的设计来调整图5B的图中指示的每个波长的光束位置的偏移556。例如，在一些实施例中，图4中的波长多路复用器406被特别设计为提供每个波长的光束位置的特定偏移556。在各种实施例中，投射元件中的各种器件用于在两个波长定位激光器的光束。这些相同的器件或其它器件可以改变光束形状以及它们在目标平面处的位置。
与图5A的单波长实施例相比，结合图5B所描述的实施例以在垂直方向上将角分辨率减半为代价，在优选方向上(在这种情况下是水平方向)使角分辨率加倍。这是在保持系统的整体物理尺寸相对恒定的同时完成的。在一些应用中，在一个方向上更精细的分辨率可能是优选的或必要的，例如，如果系统需要区分具有仅100mm的横截面的杆或树而不是行人。在30m处，我们将需要小于0.15度的角分辨率。对于汽车LIDAR系统，由于需要识别出诸如人、杆、树之类的公共物体是高而窄的，因此非常期望在水平方向上具有非常小的角分辨率，而以在垂直方向上更宽的角分辨率为代价。在一些实施例中，测量点云的角分辨率在从目标平面到光学投射元件的预定距离处小于0.4度。
本教导的一个特征是单个元件发射器和以不同波长操作的多元件发射器的光源不需要位于同一表面上。本教导的另一个特征是表面可以沿着三维空间中的不同空间平面被定向。例如，平面可以在两个正交平面上。在一些实施例中，我们使用由具有不同波长的至少两组激光器组成的多个表面发射激光器。我们还利用三维空间并且每组激光器被定向在两个或更多个平坦的或弯曲的表面中，这些表面不一定是正交的。在这些实施例中，相对于其中激光器共同位于公共表面上的实施例，封装和光学对准复杂性增加，但是我们能够在两个正交方向上增加跨整个视场的分辨率角度，而无需任何妥协。这既提供了更高的精确度又提供了对与多于一个波长相关联的所有能力的全访问。即，可以实现多波长操作的同时操作、冗余、安全性和其它特征。
本教导的一个特征是本教导的小角发散度LIDAR发送器提供了紧凑的LIDAR模块，该模块尤其适合于以大约100米的要求范围操作的LIDAR。本教导的小角发散度LIDAR发送器的另一个特征是它可以利用固态光发射器。因此，本教导的LIDAR发送器可以利用不移动的零件来构建。另外，可以以相同或不同波长发射的多个激光器可以用于在每个激光器和3D测量点云之间建立一对一的映射。
图6图示了本教导的可以在小角发散度LIDAR发送器中使用的已知底部发射VCSEL激光器600的结构的透视图的示意图。注意的是，VCSEL激光器600的发射面积通常从用于mW功率操作的直径几微米直到用于100mW和更大CW功率操作的直径100微米或更大的范围。本教导的各种实施例使用各种已知的VCSEL激光器件，包括顶部发射VCSEL、底部发射VCSEL以及各种类型的高功率VCSEL。VCSEL在可以是GaAs或其它半导体材料的基板602上制造。n-型分布式布拉格反射器(DBR)604被定位于基板上。在n-型DBR 604上构造活动区域606，随后是可以由氧化物材料制成的孔径608。然后，在活动区域606上生长p-型分布式布拉格光栅DBR 610。典型地，p-型DBR是高反射的，而n-型DBR是部分反射的，从而导致从层结构底部基板侧面的光输出612。活动区域606、氧化物孔径608和p-型DBR 610在台面结构614中形成。顶部触点616和底部触点618用于向活动区域606提供电流以生成输出光612。氧化物孔径608将电流限制提供给活动区域606。顶部触点616是p-型的，而底部触点618是n-型的。发射孔径620在底部触点618中形成，以允许输出光612从底部发射VCSEL 600的底部基板侧出射。这种类型的VCSEL可以是单个元件，或者可以在基板602上将多个VCSEL制造为一维或二维阵列。
图7图示了具有本教导的二十五个单独的激光发射器702的2D单片VCSEL阵列700的实施例的示意图。每个激光发射器702具有直径a的发射孔径704，来自每个单个激光发射器702的发射基本上填充整个发射孔径704。因此，每个激光发射器702生成具有等于发射孔径704的直径的直径a的激光束。激光发射器702在水平方向上以间隔dx 706被均匀地间隔开。激光发射器702在垂直方向上以间隔dy 708被均匀地间隔开。从最外部的激光器的中心测量的阵列的整体尺寸在水平方向上是距离Dx 710，并且在垂直方向上是距离Dy712。实际芯片尺寸将略大于距离Dx 710和距离Dy 712。
图8图示了具有本教导的二十五个单独的激光发射器802的2D单片VCSEL阵列800的实施例的示意图。每个激光发射器802具有直径a的发射孔径804，每个激光发射器802由电连接以充当一个子孔径，并且其组合发射被包含在维度a的发射孔径804内的多个子孔径803形成，因此，每个激光发射器802生成具有等于发射孔径804的直径的直径a的激光束。激光发射器802在水平方向上以间隔806dx被均匀地间隔开。激光发射器802在垂直方向上以间隔808dy被均匀地间隔开。从最外部的激光器的中心测量的阵列的整体尺寸在水平方向上是距离810Dx，并且在垂直方向上是距离812Dy。实际芯片尺寸将略大于距离810Dx和距离812Dy。图8图示了具有圆形发射形状的激光发射器。在各种实施例中，发射器可以产生具有各种形状的光束。例如，可以实现椭圆形、正方形、矩形和各种奇特形状。该发射宽度是形状在特定方向上的宽度，并且将确定LIDAR发送器在该特定方向上的角发散度，如下文进一步描述的。
本教导的一些实施例利用每个激光器具有单个大孔径的VCSEL的底部发射高功率阵列，诸如图7中所示的配置。本教导的其它实施例利用具有包括如图8中所示的子孔径的大孔径的VCSEL的顶部发射高功率阵列。但是，本领域技术人员将认识到的是，本教导不限于顶部和底部发射VCSEL和相关联的发射孔径的这些配置。
现有技术的系统使用针对所有发射元件的单个共享透镜在每个激光器与特定测量点和/或投射角度之间生成一对一映射。参见，例如，美国专利号7,544,945，其描述了利用五个激光器和单个投射透镜一起来形成五个具有不同角间隔的单独投射光束。单个投射透镜提供两个功能。第一个功能是准直激光束以确定远场中光束的光斑尺寸。光斑尺寸按LIDAR系统的要求在所需范围处设置。例如，LIDAR系统的典型要求是100m处的激光光斑直径应小于0.5m。这等效于5mrad的全角发散度。光学透镜的第二个功能是确定投射的激光束的全视场，该视场由在LIDAR系统范围的远场中的两个最外部光束的位置来确定。然后，通过将全视场除以每个方向上的激光数量N-1来确定每个测量光束之间的角分辨率。
现有技术的单个投射透镜LIDAR系统的一个缺点是它们没有考虑激光发射器的发射孔径的有限尺寸。在利用单个投射透镜的系统中，激光器被放置在单个投射透镜的焦点处，以便准直激光束。
图9图示了由单个透镜LIDAR发送器系统900投射的光的示意图。相对于激光发射器的平面906，将透镜902放置在焦距904f处。距离908y1表示发射宽度的一半，即，发射的激光束的半径。角度910θ1是所发射的激光束的发散度。根据经典光学，光学不变规则告诉我们，光束半径和光束发散度的乘积将是常数。因此，透镜之后的激光束半径912现在为y2，并且发散度914为θ2，其中：
01*y1＝02*y2。根据几何学，我们可以看到焦距904f通过以下方程与y2相关：y2＝f*θ1。结合这两个方程，我们可以得到关系θ2＝y1/f。这种关系表明在单个透镜LIDAR发送器中，准直光束的角发散度与透镜的焦距直接相关。该关系还示出了角发散度如何取决于发射器尺寸的宽度以及圆形孔径的相关联半径。该关系对发射激光束的特定尺寸所需的透镜焦距设置最小尺寸约束。例如，典型的大功率VCSEL具有有效发射直径为100微米的圆形形状。因此，y1等于50微米。为了满足本文所描述的100m LIDAR系统的标准，发散度(全角度)应小于5-mrd。然后投射透镜系统的最小焦距为20mm。
这里描述的示例一般假设具有圆形发射形状和球形透镜的圆对称系统。但是，对于本领域技术人员将清楚的是，本教导应用于具有其它形状和几何形状的发射形状和透镜形状。然后，所描述的宽度和焦距关系应用于特定方向。例如，可以使用包括圆柱形和/或球形透镜的矩形发射器和/或透镜系统。这些选择将取决于目标范围的期望光束图案。例如，系统可以被构造为在水平和垂直方向上具有不同的视场和角分辨率。
在以上分析中，我们使用了假设小角度和薄透镜的经典光学公式。如果维度或角度大(这在紧凑发送器设计中是常见的)，那么经典光学公式不一定会提供足够的预测角发散度和所获得的视场的准确度。在这些情况下，全三维电磁模型将是首选的。
图10图示了由单个透镜LIDAR发送器系统中的多个发射器投射的光的示意图1000。单投射透镜1002位于基板1006上与VCSEL激光发射器1004的阵列一定距离处。图10图示了由阵列的激光发射器系统投射的光，该系统完全将VCSEL激光发射器1004表示为具有宽度a的发射孔径的有限光源。在图10中，最外部的激光器的中心到中心的距离1008D映射到角视场1010β，该角视场1010是两个最外部投射光束1012，1014之间的中心到中心的角偏移。透镜的焦平面中激光器所位于的每个垂直位置都映射到唯一的角投射角度。由此，对于维度a的有限发射孔径的源，光束发散度的结果将近似等于a*(β/D)。
参考图10，VCSEL阵列的典型间隔d为250微米，因此最外部的发射器的中心到中心的距离1008D为1.25mm。假设发射孔径直径a为100微米并且最大发散度全角度为5mrad，我们可以计算出透镜β的全视场1010不能大于62.5mrad(3.58度)。如果由透镜生成的视场大于3.58度，则由于激光发射面积的有限尺寸，激光束的发散度将超过5mrad全角度。
图10的VCSEL激光发射器的固有发散度近似为2度。这种低的发散度使激光束在从阵列基板1006的平面出射并穿过透镜朝着远场前进时在很大程度上保持分离，但透镜右侧的点1016除外，在该点处，激光束都交叉以形成光束腰。
图11A-B示出了更典型的、更大的光束发散度的配置。图11A图示了由具有高角发散度发射器的单个透镜LIDAR系统中的多个发射器投射的光的扩展视图的示意图1100。图11B图示了由图11A的系统投射的以图示远场的光的凝聚视图的示意图1150。在两个图中，发射器阵列1102、1152照亮相应的透镜1104、1154。与图10中所示的示例相比，每个发射器1106、1156产生具有相对宽发散度的激光束1108、1158。透镜1104、1154使相应的发射光束1108、1158会聚以产生光束腰1110、1162。图11A-B示出了激光束将如何寻求更典型～20度的VCSEL发散度。在该配置中，如图所示，光束1108、1158在透镜1104、1154处显著重叠。并且如图11B中所示，与图10的示例相比，光束完全分离的位置1160离透镜1154远得多。我们可以看到，VCSEL的固有发散度以及阵列的尺寸将决定该单个透镜系统的最小透镜孔径。发散度越大，并且阵列的尺寸越大，截断由VCSEL阵列发射的激光束所需的最小孔径将越大。
因此，对于LIDAR发送器，我们在包括由VCSEL阵列的孔径和/或子孔径发射的一系列激光束的远场中的目标范围处的透射光束的发散有两个主要原因。最终光束发散的一个来源是激光发射面积的大小和透镜系统的焦距的函数。最终光束发散的第二个来源是激光发射大小和透镜投射视场的函数。本教导的一个特征是认识到可以设计具有相同焦距但具有不同投射视场的不同透镜系统。
根据本教导的光检测和测距的方法包括生成可以是多波长光束的多个光束。第一透镜被定位在多个光束的光路中，与多个光发射器中的至少一个的距离小于第一透镜的焦距。第一透镜将多个光束会聚为具有光束腰的会聚光束。第二透镜被定位在会聚光束的光路中，使得其将会聚光束投射到目标范围。可以进一步选择第二透镜的位置以减小LIDAR发送器在目标范围处的角分辨率。同样在一些方法中，第二透镜的孔径的尺寸被选择为等于会聚光束的光束腰的尺寸。选择第二透镜的位置和多个光发射器中的至少一个的发射宽度，以提供LIDAR发送器在目标范围的期望视场。
图12图示了本教导的在小角发散度LIDAR发送器1200中投射光的透镜系统的实施例的示意图。第一透镜1202被放置在非常靠近VCSEL激光器阵列1204的位置，该VCSEL激光器阵列1204包括多个独立激光发射器1206。第一透镜1202可以被放置在比等于第一透镜的焦距的距离更靠近发射器的位置。该图图示了由各个激光发射器1206发射的激光束1202、1210。仅示出了中心激光束1208和外部激光束1210。但是阵列中的所有激光发射器1206可以根据期望产生激光束。
第二透镜1212被定位在第一透镜1202之后，并且将激光束1208、1210投射到远场位置1214，在此处来自各个发送器的激光束被名义上分离。第一透镜1202被放置在距阵列特定距离1216处，在该特定距离处，在第二透镜1212处产生激光束1208、1210的期望会聚。第二透镜1212被放置在距第一透镜1202特定距离1218处，以在期望远场位置1214(目标范围)处产生期望视场。
如图12中所示，第一透镜1202起到会聚光束的作用，从而使激光束1210从最外部的VCSEL发射器1220向内转向，这与单个透镜系统相比，为第二透镜1212产生更小的最小透镜孔径。这意味着物理发送器的尺寸可以更小，因为第二透镜1212的最小透镜孔径确定了系统中最大透镜的尺寸。在这个示例中，由会聚的第一透镜1202产生的光束腰形成在第二透镜1212的位置处，并且第二透镜的孔径等于光束腰的尺寸。由发射器产生的每个光束填充第二透镜的孔径。
当与具有相同焦距的单个透镜系统相比时，这种双透镜配置具有显著改善的性能，同时维持了所需的输出光束的低发散度。该双透镜配置还有利地最小化了LIDAR发送器的尺寸。另外，可以在不更改透镜系统的总焦距的情况下改变双透镜系统的投射角。可以调整此双透镜系统中透镜表面的曲率，以提供维持焦距的附加自由度，同时启用不同的视场。该附加的自由度还允许调整视场以在必要时最小化各个发射的激光束的发散度，同时维持发送器的整体紧凑尺寸。
如本文所述，独立激光发射器的透射激光束的发散度是确定透镜系统的结果得到的视场时的关键因素。一旦基于最大发散度确定了最大视场，系统的角分辨率就由阵列中各个激光器之间的间隔来确定，该间隔不能小于各自发射宽度。
本教导的小角发散度LIDAR发送器可以以各种设计来配置，这些设计实现了解决特定传感器应用的需求所需的特定视场和角度分辨率。例如，一些汽车应用要求最大发散度为五个毫弧度的半角。视场、发散度和孔径尺寸都是相关的。此外，发射器发射宽度、发射器间距和阵列尺寸是关键的。在一个特定实施例中，通过使用将第一透镜放置在小于阵列中第一透镜的焦距的位置的双透镜系统，针对18.3度的视场配置十六乘十六元件的二维阵列，其中发射宽度为125微米、激光间距为250微米、并且最大半角发散度为5mrad。使用本教导的更大视场是可能的，例如使用更小的发射宽度。
通过将视场除以阵列尺寸来确定角分辨率。使用最小可能的发射宽度发射器意味着阵列中的元件更多，并且因此意味着最小可能的角度分辨率。在一个维度上具有十六个元件的阵列、发射宽度为50微米、激光间距为250微米和最大半角发散度为5mrad的一个特定实施例被配置用于45.8度的视场。该配置的角分辨率为2.8度。更小的分辨率是可能的，例如，使用更多具有较小间距的阵列元件。
在各种实施例中，视场和角分辨率在不同方向上可以不同，例如，在一些系统中，水平的视场和角分辨率不同于垂直的视场和角分辨率。
本教导的一个特征是双透镜投影系统的紧凑尺寸以及其它设计特征允许将多个发射器阵列组合成单个发送器系统。图13图示了根据本教导的透镜系统的实施例的示意图，该透镜系统利用多个发送器阵列1302、1304、1306在小角发散度LIDAR发送器1300中投射光。在图13中，几个发送器阵列1302、1304、1306用于覆盖组合的较宽视场1308。各个VCSEL发射器各自使用发送器阵列1302、1304、1306，并且发送器阵列1302、1304、1306在三维空间(x，y，z)中的放置允许将光束组合成期望的图案，诸如远场中的整体均匀图案或具有期望的重叠或间隙的图案。
例如，可以选择发送器阵列1302、1304、1306的位置，使得目标范围处的光束的图案被布置为使得来自第一发送器阵列1302的光束和来自第二发送器阵列1304的光束在目标平面处形成间隙。可替代地，可以选择发送器阵列1302、1304、1306的位置，使得目标范围处的光束的图案被布置为使得来自第一发送器阵列1302的光束和来自第二发送器阵列1304的光束在目标平面处重叠。另外，可以选择发送器阵列1302、1304、1306的位置，使得目标范围处的光束的图案被布置为使得来自第一发送器阵列1302的光束和来自第二发送器阵列1304的光束在目标平面处形成均匀的光的图案。对于本领域技术人员将清楚的是，发送器阵列的相对位置以及会聚并投射从发送器阵列出射的多个光束的相关联的光学透镜允许在目标平面处投射各种图案。
在一些实施例中，多个发送器阵列用于通过物理地调整各个发送器的位置(x，y，z)和指向角来覆盖更宽或更窄的视场，从而使用所有六个维度在目标范围处产生期望的激光束图案。当在LIDAR系统中使用时，在目标范围处的各种激光束的图案产生相关联的期望测量点云。
在一个实施例中，至少两个发送器阵列被定位成使得光束在目标范围处基本上重叠。在这个实施例中，双发送器系统的视场与每个发送器阵列和透镜系统的视场相同。具有多于两个阵列的系统也可以被配置有在目标范围处基本上完全重叠的图案。这样的布置导致改善的角分辨率。使用多个发射器阵列的本教导的实施例能够使用最新的发射器阵列技术实现小于0.25度的角分辨率。
本教导的一个特征是可以将多个发射器阵列放置在单个基板上。每个发射器阵列可以具有不同的形状和间隔，并且每个发送器阵列之间的间隔也可以在基板上变化。图14A图示了透镜系统的实施例的扩展视图的示意图，该透镜系统的实施例利用本教导的单个基板上的多个发送器阵列在小角发散度LIDAR发送器中投射光。
图14B图示了在图14A的小角发散度LIDAR发送器中投射光的透镜系统的实施例的凝聚视图的示意图。多个发送器阵列1402、1404、1406、1408被定位在公共基板1410上。每个发送器阵列1402、1404、1406、1408具有相关联的第一透镜1412、1414、1416、1418和第二透镜1422、1424、1426、1428。为了清楚起见，图14A-B未示出每个VCSEL发射器发射的全发散激光束，而是示出了来自三个VCSEL发射器的中心的单束射线来图示本教导的概念。对于每个发送器阵列1402、1404、1406、1408，示出了来自顶部外部发射器1432、1434、1436、1438的单束射线。而且，对于每个发送器阵列1402、1404、1406、1408，示出了来自底部外部发射器1442、1444、1446、1448的单束射线。对于每个发送器阵列1402、1404、1406、1408，示出了来自中心外部发射器1452、1454、1456、1458的单束射线。图14A-B的实施例使用多个阵列发送器1402、1404、1406以增加角分辨率。对于在基板上使用单个VCSEL阵列的单个发送器阵列，角分辨率由视场和阵列中各个激光发射器的数量设置。如果期望更密集的角分辨率，那么可以通过在期望范围重叠远场中的输出光束来组合多个发送器。
图14A图示了四个发送器阵列1402、1404、1406、1408被附接到公共基板1410。虽然公共基板不是必要的，但从易于组装的角度来看可能是期望的。可以使用各种已知的公共基板，包括由半导体材料或陶瓷材料形成的基板。公共基板可以是印刷电路板(PCB)。在一些实施例中，一些发送器阵列共享一个公共基板，例如单个半导体或陶瓷载体基板。在其它实施例中，发送器阵列位于不同的公共基板上，然后将这两个具有阵列的公共基板放置在第三公共基板上，例如放置在PC板上。
四个发送器阵列1402、1404、1406、1408中的每个具有其自己的对应的透镜系统，该透镜系统包括与每个发送器阵列1402、1404、1406、1408对应的第一透镜1412、1414、1416、1418和第二透镜1422、1424、1426、1428，如图所示。通过相对于其对应的发送器阵列1402、1404、1406、1408的位置调整包括第一透镜1412、1414、1416、1418和第二透镜1422、1424、1426、1428的四个透镜系统中的每一个的位置，来重叠并组合从四个发送器阵列1402、1404、1406、1408出射的激光束。第二透镜1422、1424、1426、1428在每个发送器中的位置被示出为在距离每个对应发送器阵列1402、1404、1406、1408的中心P1、P2、P3和P4的不同径向偏移1452、1454、1456、1458处。每个发送器阵列1402、1404、1406、1408的第一透镜1412、1414、1416、1418也可以从其相关联的发送器阵列1402、1404、1406、1408的中心径向偏移。这些偏移将允许每个发送器阵列1402、1404、1406、1408实现目标范围的期望的光束图案。根据需要选择确切的径向偏移值，以创建LIDAR系统在范围处所需的特别角场图案。这些径向偏移值通常不相等，但是在特定实施例中可以相等。
本教导的一个特征是单独的VCSEL阵列之间的横向偏移对于确定在目标范围的组合光束图案不是关键的。图14A图示了具有S1、S2和S3的值的横向偏移1460、1462、1464。对于典型范围为100m的LIDAR系统，S1、S2和S3的确切值并不重要，因为偏移量不随距离而增大。在许多实施例中，仅几米之后，与由每个阵列的透镜系统设置的投射角度的差异引起的偏移相比，图中由横向偏移1460、1462、1464表示的阵列之间的初始偏移不再显著。图14B的凝聚视图示出了光束如何在远场中组合的表示。
通过图15中示出的配置图示了本教导的透镜系统的投射场图案在阵列的横向偏移上的相对独立性。图15图示了本教导的小角发散度LIDAR发送器的实施例的缩放的凝聚和扩展视图的示意图，以示出发送器阵列之间的分离的相对独立性。图15图示了被组合的激光束的缩放示例。示出了扩展视图和凝聚视图。在一个配置中，初始横向偏移在扩展视图1502中和在凝聚视图1504中等于10mm。在另一个配置1506中，初始横向偏移在扩展视图1506和在凝聚视图1508中等于20mm。
在一个特定实施例中，每个VCSEL阵列的激光束被偏移2度，并且在发送器之间存在1度的偏移，使得最终光束图案中的激光束在远场中均匀地偏移1度。可以看出，在～5m处，在远场图案中没有实质性差异。
本教导的一个特征是透镜系统能够控制光束在远场中的发散度和步长或位置。已知的LIDAR投射系统通常仅控制步长，并且不具有独立地控制远场中光束的发散度和步长或位置的能力。此外，本教导的LIDAR系统可以通过使用附加的光学元件来引入远场图案的附加的光束控制。特别地，通过将第一个透镜靠近发送器阵列来定位，本教导的透镜系统提供了独立于光学系统的焦点的不同步长。
本教导的LIDAR系统的一个特征是能够使用波长来提供对在目标范围处的远场中生成的激光束图案以及LIDAR系统的相关联测量点云的控制。图16图示了使用本教导的多个发送器阵列的多波长LIDAR系统的照明器1600的实施例。在这个实施例中，使用了多个表面发射激光器阵列，其包括至少两组具有不同波长的激光器，VCSELλ1 1602和VCSELλ21604。
本教导的LIDAR系统的另一个特征是三维空间的使用。VCSELλ1 1602和VCSELλ21604被定向在彼此正交的两个表面中。本领域的技术人员将认识到的是，可以在本教导的LIDAR系统中使用包括VCSEL 1602、1604的角度的各种三维(X，Y和Z)自由度和/或六维自由度(X，Y，Z，俯仰，偏航和滚转)。通过使用波长多路复用器1806来组合光束，该波长多路复用器1806使一个波长通过，同时反射第二波长。
波长多路复用器1606可以例如通过使用薄膜滤光器来实现，该薄膜滤光器允许第一波长不偏转通过，而第二波长以45度偏转，并且输出光束被组合。为了简单起见，我们示出了由两个三角形横截面的相等棱镜形成的立方体形状的多路复用器1606，其中反射或通过波长的薄膜滤光器位于其中两个三角形棱镜接触的立方体的中心平面处。
相对于波长多路复用器1606，VCSELλ1 1602和VCSELλ21604的两个基板的位置可以横向移位，以创建两个光束的期望的重叠或交错。图17图示了可以用图16的照明器实施例生成的测量点云1700。对于本领域技术人员将清楚的是，具有不同波长的激光发射器的使用不限于这里示出的配置。不同的波长可以与每个阵列相关联，或者可以从单个阵列以各种图案发射不同的波长。另外，可以以包括每个阵列的不同发射角的各种3D空间图案来配置阵列。
本教导的一个特征是光学投射系统考虑了形成发射器阵列的VCSEL激光器的有限发射面积。已知的LIDAR投射光学器件将激光源建模为点源。在本教导的LIDAR系统的一些实施例中，阵列内的每个相邻的VCSEL具有大于每个激光器的发射面积的个别直径的分离间距。VCSEL激光器阵列均共享公共光学透镜系统，该系统的净孔径小于自由空间中VCSEL激光器阵列的投射组合直径。这通过至少会聚最外部的光束的第一透镜来完成。在一些实施例中，作为会聚透镜的第一透镜以小于第一透镜的焦距的距离与VCSEL阵列相邻定位。透镜系统的最大视场角由激光器的发射宽度、限定激光束的发散度的光学系统以及阵列中激光器的分离间距限定。
在一些实施例中，多个发送器阵列在自由空间中重叠以创建比用具有相同VCSEL阵列维度的单个发送器可以创建的更密集的角分辨率。每个发送器阵列具有相关联的第一透镜。每个个别发送器阵列的第一透镜径向偏移以产生不同的角图案。每个透镜系统的径向偏移不需要相同。发送器阵列位于公共基板上，并且各种发送器阵列之间的距离不需要相同。在具有多个发送器的实施例中，包括发送器阵列和/或每个发送器阵列的各个VCSEL的波长可以相同或不同。在本教导的使用不同波长的LIDAR系统的实施例中，可以使用波长敏感元件以基于光束的波长在远场中进一步会聚或发散光束。
根据本教导的光检测和测距方法包括提供包括第一多个光发射器的第一发送器阵列，第一多个光发射器生成可以是多波长光束的第一多个光束。第一透镜被定位在第一多个光束的光路中，与多个光发射器中的至少一个的距离小于第一透镜的焦距，使得第一透镜会聚第一多个光束，以形成具有光束腰的第一会聚光束。第二透镜被定位在第一会聚光束的光路中，使得第二透镜将第一会聚光束投射到目标范围。选择第二透镜的位置和第一多个光发射器中的至少一个的发射宽度，以提供所投射的第一会聚光束在目标范围的期望视场。
该方法还包括提供第二发送器阵列，该第二发送器阵列包括生成多个第二光束的第二多个光发射器，该第二多个光束可以是多波长光束。第三透镜被定位在第二多个光束的光路中，与第二多个光发射器中的至少一个的距离小于第三透镜的焦距，使得第三透镜会聚第二多个光束，以形成具有光束腰的第二会聚光束。第四透镜被定位在第二会聚光束的光路上，使得第四透镜将第二会聚光束投射到目标范围。选择第四透镜的位置和第二多个光发射器中的至少一个的发射宽度，以提供所投射的第二会聚光束在目标范围的期望视场。选择第一发送器阵列的位置和第二发送器阵列的位置，以提供LIDAR发送器在目标范围的期望视场。
等同
虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是并不意图将申请人的教导限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将认识到的，申请人的教导涵盖各种替代方案、修改和等效物，可以在不背离本教导的精神和范围的情况下做出各种替代方案、修改和等效物。

Claims (32)

1.一种光检测和测距(LIDAR)发送器，包括：
a)生成多个光束的多个光发射器；
b)被定位在所述多个光束的光路中的第一透镜，与所述多个光发射器中的至少一个光发射器的距离小于所述第一透镜的焦距，所述第一透镜将所述多个光束会聚为具有光束腰的会聚光束；以及
c)被定位在所述会聚光束的光路中的第二透镜，所述第二透镜将所述会聚光束投射到目标范围，
其中所述第二透镜的位置和所述多个光发射器中的至少一个的发射宽度被配置为提供所述LIDAR发送器在所述目标范围处的期望视场。
2.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，进一步选择所述第二透镜的位置以减小所述LIDAR发送器在所述目标范围处的角分辨率。
3.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述第二透镜的孔径的尺寸等于所述会聚光束的光束腰的尺寸。
4.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述多个光发射器形成光发射器的阵列。
5.如权利要求4所述的LIDAR发送器，其中，所述会聚光束的光束腰在某个方向上的尺寸小于或等于所述阵列在该方向上的尺寸。
6.如权利要求4所述的LIDAR发送器，其中由所述光发射器阵列的中心光发射器生成的光束和由所述光发射器阵列的最外部光发射器生成的光束填充所述第二透镜的孔径。
7.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述多个光发射器中的至少两个光发射器发射具有不同波长的光。
8.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述多个光发射器包括多个VCSEL器件。
9.如权利要求8所述的LIDAR发送器，其中，所述多个VCSEL器件包括二维VCSEL阵列。
10.如权利要求8所述的LIDAR发送器，其中，所述VCSEL器件被配置为顶部发射VCSEL器件。
11.如权利要求8所述的LIDAR发送器，其中，所述VCSEL器件被配置为底部发射VCSEL器件。
12.如权利要求8所述的LIDAR发送器，其中，所述多个光发射器包括具有在公共基板上形成的所述多个VCSEL器件中的每个VCSEL器件的单片VCSEL阵列。
13.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述第二透镜的位置和所述多个光发射器中的至少一个光发射器的发射宽度被配置为提供所述LIDAR发送器在大于十八度的所述目标范围处的期望视场。
14.如权利要求1所述的LIDAR发送器，其中，所述第二透镜的位置进一步被选择为使得所述LIDAR发送器在所述目标范围处的角分辨率小于2.8度。
15.一种光检测和测距(LIDAR)发送器，包括：
a)第一发送器阵列，包括生成第一多个光束的第一多个光发射器；
b)被定位在所述第一多个光束的光路中的第一透镜，与所述多个光发射器中的至少一个光发射器的距离小于所述第一透镜的焦距，所述第一透镜会聚所述第一多个光束，以形成具有光束腰的第一会聚光束；
c)具有在所述第一会聚光束的光路中的位置的第二透镜，所述第二透镜将所述第一会聚光束投射到目标范围，其中所述第二透镜的位置和所述第一多个光发射器中的至少一个光发射器的发射宽度被配置为提供所述投射的第一会聚光束在所述目标范围处的期望视场；
d)第二发送器阵列，包括生成第二多个光束的第二多个光发射器；
e)被定位在所述第二多个光束的光路中的第三透镜，与所述第二多个光发射器中的至少一个光发射器的距离小于所述第三透镜的焦距，所述第三透镜会聚所述第二多个光束，以形成具有光束腰的第二会聚光束；以及
f)具有在所述第二会聚光束的光路中的位置的第四透镜，所述第四透镜将所述第二会聚光束投射到目标范围，其中，所述第四透镜的位置和所述第二多个光发射器中的至少一个光发射器的发射宽度被配置为提供所述投射的第二会聚光束在所述目标范围处的期望视场，
其中选择所述第一发送器阵列的位置和所述第二发送器阵列的位置，以提供所述LIDAR发送器在所述目标范围处的期望视场。
16.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，选择所述第一发送器阵列的位置和所述第二发送器阵列的位置以在所述目标范围处提供均匀的光束图案。
17.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，选择所述第一发送器阵列的位置和所述第二发送器阵列的位置以提供包括在所述目标范围处的所述投射的第一会聚光束和所述投射的第二会聚光束之间的间隙的图案。
18.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，选择所述第一发送器阵列的位置和所述第二发送器阵列的位置以提供包括在所述目标范围处的所述投射的第一会聚光束和所述投射的第二会聚光束之间的重叠的图案。
19.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一透镜的中心在所述第一多个光束的光路中的位置与所述第一发送器阵列的中心相距第一距离，并且所述第三透镜的中心在所述第二多个光束的光路中的位置与所述第二发送器阵列的中心相距第二距离，并且所述第一距离和所述第二距离是不同的。
20.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一发送器阵列和所述第二发送器阵列被定位在公共基板上。
21.如权利要求15所述的LIDAR发送器，还包括第三发送器阵列，所述第三发送器阵列包括生成第三多个光束的第三多个光发射器，其中所述第一发送器阵列与所述第二发送器阵列之间的距离不同于所述第二发送器阵列与所述第三发送器阵列之间的距离。
22.如权利要求21所述的LIDAR发送器，其中，所述第一发送器阵列、所述第二发送器阵列和所述第三发送器阵列以不均匀的间隔定位在共同的基板上。
23.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一多个光发射器中的至少两个光发射器发射具有不同波长的光。
24.如权利要求23所述的LIDAR发送器，其中，所述第二多个光发射器中的至少两个光发射器发射具有不同波长的光。
25.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一多个发射器中的至少一个发射器和所述第二多个发射器中的至少一个发射器发射具有不同波长的光。
26.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一发送器阵列和所述第二发送器阵列中的至少一个包括二维阵列。
27.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一多个光发射器或所述第二多个光发射器中的至少一个包括多个VCSEL器件。
28.如权利要求27所述的LIDAR发送器，其中，所述多个VCSEL器件包括二维VCSEL阵列。
29.如权利要求27所述的LIDAR发送器，其中，所述VCSEL器件是顶部发射VCSEL器件。
30.如权利要求27所述的LIDAR发送器，其中，所述VCSEL器件是底部发射VCSEL器件。
31.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第二透镜的位置和所述第一多个光发射器中的至少一个光发射器的发射宽度被配置为在大于十八度的所述目标范围处提供所述投射的第一会聚光束的期望视场。
32.如权利要求15所述的LIDAR发送器，其中，所述第一发射器阵列和所述第二发射器阵列被配置为使得所述LIDAR发送器在所述目标范围处的角分辨率小于0.25度。
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