CN113366335A - 扫描光检测和测距中的descan补偿 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光检测和测距设备即LIDAR设备，其包括被配置为在第一方向上发射激光束的激光源。该设备包括透镜光学器件，其用于在第一方向上使激光束的第一部分朝向目标穿过，将激光束的第二部分作为本地振荡器信号返回到返回路径中，并且将目标信号返回到返回路径中。该设备还包括四分之一波片，该四分之一波片用于偏振在第一方向上行进的激光束，并且偏振通过透镜光学器件返回的目标信号。该设备还包括偏振分束器，其用于在第一方向上使非偏振光穿过分束器，并且在与第一方向不同的第二方向上反射偏振光，其中，偏振分束器还使得本地振荡器信号和目标信号之间的干涉能够生成混合信号。该设备还包括用于接收混合信号的光学检测器。在实施例中，光学电路300包括多个光纤输出302和多个光学检测器304。多个光纤输出302和光学检测器304可以在单个时间间隔期间提供多个数据点。因此，快速扫描镜的较少旋转可以提供附加的数据。例如，光学电路300可以包括用于偏振光的1/4波片308和用于提供反射光的透镜310等。可以设置偏振分束器306的对准，使得当返回的光被反射时光纤输出302和光学检测器304对准。可以存在多个光纤输出302和多个光学检测器304，但也可以存在多个偏振分束器306。可以分别分析在各个光学检测器304处接收到的信号，以生成在某点的距离或速度数据。光纤输出302可以提供不同波长的激光束。因为在光学检测器之前光束已经干涉，并且检测路径与源路径解耦，所以光学检测器可以是更大的芯径光纤或波导、硅基光学检测器或者能够感测到组合信号的其他类型的光学检测器。

Description

扫描光检测和测距中的DESCAN补偿
相关申请
本申请要求于2018年10月18日提交的美国专利申请16/164,566的35U.S.C.§119(e)下的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体涉及光检测和测距(LIDAR)，其提供在两个维度上对距离和速度的同时测量。
背景技术
在大多数传统LIDAR系统中，快速扫描镜是用于照亮场景的主要组件。如图1A所示，一个镜通常沿X方向(方位角)快速扫描，而另一镜沿Y方向(仰角)缓慢扫描。光发射和从目标反射进行检测通常经由单模光纤同轴地完成。收集到的光具有测量延迟或改变的频特征，用于提取距离和潜在的速度信息。在逐点检测到的距离信息与来自扫描镜的角度位置反馈相结合的情况下，可以建立3D点云。
为了达到更高的帧频，增加镜的角速度，特别是更快的扫描方向上的扫描器(在本文情况中是X扫描器)的角速度。在使用高角速度(例如，快于每秒3000度)的镜和基于单模光纤的检测的情况下，来自远处对象的目标信号严重衰减。信号衰减主要是由于扫描器镜的角位置从激光信号(脉冲或扫频)的发射时间到来自远处散射目标的相同信号的收集时间的不同。这微小的角度变化使得目标信号在光纤尖端走离，降低了耦合效率，这表明其自身作为较弱的信号检测。随着光纤直径的减小，例如直径直至约10μm的单模光纤，或者随着镜的角速度的增加，这种衰减变得更加严重。
发明内容
本发明的示例实现涉及改进的扫描LIDAR系统。本发明的示例实现基于一种使用调频(FM)和相干检测的LIDAR，以克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制。从历史上看，FM LIDAR系统在波束的返回路径上遭受重大损失；因此，这种系统通常相当庞大，需要更高的平均波束输出功率来测量与飞行时间(TOF)LIDAR系统可比的距离。此外，距离受到人眼安全输出功率的操作距离的限制。
本发明的示例实现被配置为使用相干检测同时测量距离和速度，并且具有对来自其他LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。其他实现可以与非相干系统一同使用来改进距离、帧频或检测。示例性实施例最小化波束返回路径中的光学损耗，由此增加系统的测量距离。此外，通过使用非简并激光源，示例实现可以利用集成硅光子技术中经常使用的成熟的波分复用(WDM)技术，由于其紧凑性和在变化的环境条件下的相对稳定性，集成硅光子技术是期望的平台。
如上所述，目标信号返回时光纤尖端的离心是耦合效率降低的主要原因。本发明的示例实现通过将光学检测与主源光纤分开来减轻光纤尖端处离心的返回光的妨碍效果。离开系统的光可以用四分之一波片(QWP)偏振。在QWP之后，一部分光可以反射回系统作为本地振荡器(LO)，而剩余的光传播到环境中，并且可能被系统的视场(FOV)内的一个或多个对象反射回来。当来自目标的光返回时，它与LO信号干涉以形成组合信号。因为组合信号是偏振的，所以它可以从偏振分束器(polarization beam splitter)反射到与激光源分离的一个或多个光学检测器。因为在光学检测器之前光束已经干涉，并且检测路径与源路径解耦，所以光学检测器可以是更大的芯径光纤或波导、硅基光学检测器或者能够感测到组合信号的其他类型的光学检测器。
因此，本发明包括但不限于以下示例实现。
一些示例实现提供一种光检测和测距设备即LIDAR设备，其包括：激光源，其被配置为在第一方向上发射激光束；透镜光学器件，其被配置为使所述激光束的第一部分在所述第一方向上朝向目标穿过，将所述激光束的第二部分作为LO信号返回到返回路径中，并且将来自外部目标的信号收集到所述返回路径中；偏振波片，其被配置为变换在所述第一方向上前进的激光束和经由所述透镜光学器件返回的所述目标信号的偏振状态，使得这些偏振为正交的；偏振分束器，其被配置为使偏振光在所述第一方向上穿过所述分束器，并且在与所述第一方向不同的第二方向上反射正交偏振光，其中，所述偏振分束器还被配置为使得所述本地振荡器信号和所述目标信号之间的干涉能够生成混合信号；以及光学检测器，其被配置为接收来自所述第二方向的所述混合信号。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括第二激光源和第二光学检测器。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括用于将所述信号引导到多个光学检测器的波分复用器，其中所述激光源提供多波长激光束。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，所述偏振波片包括四分之一波片和半波片其中之一。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括用于准直通过所述偏振分束器的激光束的透镜器件。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，所述激光源和所述光学检测器位于具有折叠镜的同一印刷电路板或集成光子芯片上，以将所返回的光引导到所述光学检测器。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，所述折叠镜还包括波分复用器涂层以将第一波长的光反射到所述光学检测器，并且允许第二波长的光穿过该涂层到达第二折叠镜并反射到第二光学检测器。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括第二激光源，其中，所述激光源和所述第二激光源各自提供多波长激光束。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，所述透镜光学器件还包括反射器或涂层以生成作为所述本地振荡器信号的返回光。
一些示例实现提供一种光检测和测距系统即LIDAR系统，其包括：快速扫描镜，用于引导激光束对场景进行扫描；光学电路，用于生成和接收所述激光束，所述光学电路包括：激光源，其被配置为在第一方向上发射激光束；透镜光学器件，其被配置为使所述激光束的第一部分在所述第一方向上朝向目标穿过，将所述激光束的第二部分作为LO信号返回到返回路径中，并且将目标信号返回到所述返回路径中；QWP，其被配置为变换在所述第一方向上前进的激光束的偏振状态和经由所述透镜光学器件返回的所述目标信号的偏振状态，使得这些偏振正交；偏振分束器，其被配置为使偏振光在所述第一方向上穿过所述分束器，并且在与所述第一方向不同的第二方向上反射正交偏振光，其中，所述偏振分束器还被配置为使得所述LO信号和所述目标信号之间的干涉能够生成混合信号；以及光学检测器，其被配置为接收所述混合信号。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，透镜光学器件还包括第二激光源和第二光学检测器。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，透镜光学器件还包括用于将所述信号引导到多个光学检测器的波分复用器，其中所述激光源提供多波长激光束。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，光学检测器包括多模波导。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，透镜光学器件包括透镜器件以准直通过偏振分束器的激光束。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，透镜光学器件、所述激光源和所述光学检测器位于具有折叠镜的同一印刷电路板或光子集成电路上，以将所返回的光引导到所述光学检测器。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，LIDAR系统还包括第二激光源，其中，所述激光源和所述第二激光源各自提供多波长激光束。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，所述透镜光学器件还包括反射器或涂层以生成作为本地振荡器信号的返回光。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括第二快速扫描镜，其中，第一快速扫描镜用于绕第一轴扫描，并且所述第二快速扫描镜用于绕第二轴扫描。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括控制系统，所述控制系统包括处理装置，以控制有源光学电路元件的光学驱动器；控制多个扫描镜的运动操作；以及处理从所述光学检测器接收到的多个信号以生成三维空间的点云。
在根据任何前述示例实现或前述示例实现的任意组合所述的LIDAR系统的一些示例实现中，还包括一个或多个成像装置，其中，所述成像装置拍摄所述环境的图像。
通过阅读下面的详细描述和下面简要描述的附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得清楚。本发明包括本发明中所提出的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任意组合，而无论这些特征或要素在这里所描述的特定示例实现中是否被明确组合或以其他方式叙述。本发明意在整体阅读，使得本发明在任何方面和示例实现中的任何可分离特征或要素都应被视为可组合的，除非本发明的上下文清楚地另有说明。
因此，将要理解，提供该简要概述仅是为了总结一些示例实现以便提供对本发明的某些方面的基本理解。因此，将要理解，上述示例实现仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围或精神。通过以下结合附图的详细描述，其他示例实现、方面和优点将变得清楚，附图举例说明了一些所描述的示例实现的原理。
附图说明
因此，在概括描述了本发明的示例实现后，现在将参考不需要按比例绘制的附图，并且其中：
图1A和图1B示出用于使激光束转向以扫描场景的典型光检测和测距(LIDAR)系统的光学扫描系统，并示出返回激光束在光纤尖端处的离心；
图2示出根据本发明的示例实现的LIDAR系统；
图3示出根据一些示例实现的图2的LIDAR系统的光学电路和光学扫描系统的方面。
图4示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图5示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图6示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图7A示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图7B示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图8A示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图8B示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图9示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
图10示出根据一些示例实现的LIDAR的光学电路和光学扫描系统的方面。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明的一些实现，这些附图中示出了本发明的一些实现，但不是全部实现。确实，本发明的各种实现可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为仅限于这里提出的实现；相反，提供这些示例实现使得本发明将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。例如，这里可以参考定量测量、值、关系等(例如，平面、共面、垂直)。除非另有说明，这些中的任何一个或多个(如果不是全部)都可以是绝对的或者是近似的，以考虑可能发生的可接受的变化，诸如由于工程公差等引起的变化等。相同的附图标记始终指代相同的要素。
图2示出根据本发明的示例实现的LIDAR系统100。LIDAR系统100包括许多组件中的各个组件中的一个或多个，但是可以包括与图2所示相比更少的或附加的组件。LIDAR系统100可以在任何感测市场中实现，诸如但不限于交通、制造、计量、医疗和安全系统。例如，在汽车行业，所描述的波束递送系统成为FMCW装置的前端，这些装置可以帮助自主驾驶员辅助系统或自主驾驶运载工具实现空间感知。如图所示，LIDAR系统100包括光学电路101。光学电路101可以包括有源光学组件和无源光学组件的组合。有源光学组件可以生成、放大或检测光信号等。在一些示例中，有源光学电路包括不同波长的激光器、一个或多个光放大器、一个或多个光检测器等。
无源光学电路可以包括一个或多个光纤以承载光信号，并将光信号路由和操作到有源光学电路的适当的输入/输出端口。无源光学电路还可以包括一个或多个光纤组件，诸如搭接处(tap)、波分复用器、分路器/组合器、偏振分束器、准直器等。在一些实施例中，如下面进一步所讨论的，无源光学电路可以包括用于变换偏振状态并使用PBS将接收到的偏振光引导到光学检测器的组件。
光学扫描器102包括一个或多个扫描镜，该扫描镜可沿各自的正交轴旋转，以使光信号转向来根据扫描图案扫描环境。例如，扫描镜可以由一个或多个振镜(galvanometer)旋转。光学扫描器102还将入射到环境中的任何对象上的光收集成被返回到光学电路101的无源光学电路组件的返回激光束。例如，返回激光束可以由偏振分束器引导到光学检测器。除了镜和振镜之外，光学扫描系统可以包括诸如四分之一波片、透镜或抗反射涂层窗口等的组件。
为了控制和支持光学电路101和光学扫描器102，LIDAR系统100包括LIDAR控制系统110。LIDAR控制系统110可以用作LIDAR系统100的处理装置。在一些实施例中，LIDAR控制系统110可以包括诸如数字信号处理器等的信号处理单元112。LIDAR控制系统110被配置为输出数字控制信号以控制光学驱动器103。在一些实施例中，数字控制信号可以通过信号转换单元106转换成模拟信号。例如，信号转换单元106可以包括数模转换器。然后，光学驱动器103可以向光学电路101的有源组件提供驱动信号，以驱动诸如激光器和放大器等的光源。在一些实施例中，可以提供几个光学驱动器103和信号转换单元106来驱动多个光源。
LIDAR控制系统112还被配置为输出用于光学扫描器102的数字控制信号。运动控制系统105可以基于从LIDAR控制系统110接收到的控制信号来控制光学扫描器102的振镜。例如，数模转换器可以将来自LIDAR控制系统110的坐标路由信息转换为光学扫描器102中的振镜可解释的信号。在一些实施例中，运动控制系统105还可以向LIDAR控制系统110返回与光学扫描器102的组件的位置或操作有关的信息。例如，模数转换器进而可以将与振镜位置有关的信息转换为LIDAR控制系统110可解释的信号。
LIDAR控制系统110还被配置为分析输入的数字信号。在这方面，LIDAR系统100包括用于测量光学电路101接收到的一个或多个波束的光学接收器104。例如，参考波束接收器可以测量来自有源光学电路的参考光束的振幅，并且模数转换器将来自参考接收器的信号转换为LIDAR控制系统110可解释的信号。目标接收器测量光信号，该光信号以拍频、调制的光信号的形式承载与目标的距离和速度有关的信息。反射光束可以与来自本地振荡器的第二信号混合。光学接收器104可以包括用于将来自目标接收器的信号转换为LIDAR控制系统110可解释的信号的高速模数转换器。
在一些应用中，LIDAR系统100可以包括被配置为拍摄环境的图像的一个或多个成像装置108、被配置为提供系统的地理地点的全球定位系统109或其他传感器输入。LIDAR系统100还可以包括图像处理系统114。图像处理系统114可以被配置为接收图像和地理地点，并将图像和地点或与其相关的信息发送到LIDAR控制系统110或连接到LIDAR系统100的其他系统。
在根据一些示例的操作中，LIDAR系统100被配置为使用非简并激光源来同时测量在两个维度上的距离和速度。该功能允许对周围环境的距离、速度、方位角和仰角进行实时、长距离测量。在一些示例实现中，系统将多个调制的激光束指向同一目标。
在一些示例中，扫描处理从光学驱动器103和LIDAR控制系统110开始。LIDAR控制系统110指示光学驱动器103独立地调制一个或多个激光器，并且这些调制信号通过无源光学电路传播到准直器。准直器引导光学扫描系统处的光，该光按运动控制子系统所定义的预编程图案来扫描环境。光学电路还包括用于在光离开光学电路101时变换光的偏振的四分之一波片。偏振光的一部分也可以反射回光学电路101。例如，透镜或准直系统可以具有自然反射属性或反射涂层以将部分光反射回光学电路101。
从环境反射回的光信号穿过光学电路101到接收器。因为光是偏振的，所以它可以与偏振光中被反射回光学电路101的部分一起被偏振分束器反射。因此，反射光被反射到分开的光学接收器，而不是返回到与光源相同的光纤或波导。这些信号相互干涉并生成组合信号。从目标返回的各个波束信号产生时移波形。两个波形之间的时间相位差生成在光学接收器(光电探测器)上测量到的拍频。然后，组合信号可以被反射到光学接收器104。下面进一步描述用于偏振波束并将波束引导到光学接收器104的光学电路101的配置。
使用ADC将来自光学接收器104的模拟信号转换成数字信号。然后，数字信号被发送到LIDAR控制系统110。然后，信号处理单元112可以接收并解释数字信号。在一些实施例中，信号处理单元112还接收来自运动控制系统105和振镜的位置数据以及来自图像处理系统114的图像数据。然后，当光学扫描器102扫描附加点时，信号处理单元112可以生成具有与环境中的点的距离和速度有关的信息的3D点云。信号处理单元112还可以将3D点云数据与图像数据叠加，以确定周围区域中的对象的速度和距离。该系统还处理基于卫星的导航地点数据，以提供精确的全球地点。
如背景技术和发明内容部分中所述，传统的LIDAR系统将光线注入场景，或者用光栅图案扫描场景。在使用光栅图案的情况下，在返回时对激光进行脉冲化和分析，以提供距离、速度和其他数据。收集的数据点可以组合为点云以生成场景。针对场景所生成的帧频至少部分地是激光扫描的速率的函数。例如，激光能够扫描的速度越快，在一段时间内能够获得的点就越多。典型地，场景可以用两个镜来生成，一个镜绕第一轴扫描，另一个镜绕第二轴扫描。然而，当扫描镜以高角速度(>3000度/秒)旋转时，这些系统可能会遭受目标信号衰减。啁啾(chirped)激光脉冲(扫频)到达目标并返回扫描系统所需的时间，镜由于其高角速度而移动，并且快速扫描镜的这种微小的角度偏差使得光纤尖端处的目标信号走离。对于直径较小的光纤尖端，这种走离更成问题。例如，单模光纤尖端可能约为10μm。因此，几微米的走离可能对这种系统的检测信号强度产生显著影响。
本发明的示例实现将源光纤与光学接收器分开。这种分离允许将诸如多模光纤等的更大的光纤用作接收器。此外，可以使用其他类型的光学检测器。因此，系统可以将来自目标的脉冲激光与偏振分束器内的局部反射光组合。在由光源生成之后，本地返回光和目标返回光可以各自被偏振。在返回时，偏振光可以被反射到单独的光学检测器，而不是光源光纤。因为偏振光已经在返回路径内干涉，所以光学检测器可以是比源路径中的单模光纤更大的检测器。例如，光学检测器可以是硅基检测器、多模光纤、大区域检测器等。
图3示出扫描系统的光学电路200的方面。例如，根据一些示例实现，图3的光学电路200可以是关于LIDAR系统100的如上面图2所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光纤输出202被配置为向LIDAR系统的无源光学组件提供激光束。例如，光纤输出202可以是激光源。激光束可以作为非偏振光穿过偏振分束器206。在穿过偏振分束器206之后，激光束可以通过使用1/4波片208来偏振。然后，将以圆偏振来偏振激光束。可以使用透镜210来会聚光。在一些实施例中，透镜还将一部分偏振光反射回光纤输出202。在一些实施例中，可以使用单独的镜、微透镜阵列、滤光片或反射涂层。光的反射部分成为用于与来自目标的返回光进行干涉的本地振荡器。
在穿过透镜210之后，激光束被传送到环境中，并且脉冲的一部分可以从一个或多个对象反射回来。例如，如关于图2所讨论的那样，可以通过一个或多个快速扫描镜以光栅图案将光传送到环境中。反射光的一部分可以沿光纤输出202的方向返回。因为从目标环境返回的光和从透镜210反射的光是偏振的，所以当这些光被返回到偏振分束器206时，被反射到光检测器204而不是穿回到光纤输出202。如上所述，光学检测器204可以是硅基检测器、多模光纤、大区域检测器等。本地振荡器信号和来自目标的信号干涉以生成组合信号。因此，不需要在光纤内使这两者干涉。然后，可以使用组合信号来解释目标点处的距离、速度或其他与环境有关的因素。
图4示出扫描系统的光学电路300的方面。例如，根据一些示例实现，图4的光学电路300可以是关于如上面图2所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光学电路300包括多个光纤输出302和多个光学检测器304。多个光纤输出302和光学检测器304可以在单个时间间隔期间提供多个数据点。因此，快速扫描镜的较少旋转可以提供附加的数据。光学电路300的剩余部分可以与以上参考图3所描述的相同或相似。例如，光学电路300可以包括用于偏振光的1/4波片308、用于提供反射光的透镜310等。在一些实施例中，可以设置偏振分束器306的对准，使得当返回的光被反射时光纤输出302和光学检测器304对准。在一些实施例中，可以存在多个光纤输出302和多个光学检测器304，但也可以存在多个偏振分束器306。可以分别分析在各个光学检测器304处接收到的信号，以生成在某点的距离或速度数据。在一些实施例中，光纤输出402可以提供不同波长的激光束。
图5示出扫描系统的光学电路400的方面。例如，根据一些示例实现，图4的光学电路400可以是关于如上面图2所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光学电路400包括多个光纤输出402和多个光学检测器404。如参考图4对于光学电路300所讨论的，多个光纤输出402和光学检测器404可以在单个时间间隔期间提供多个数据点。
此外，光纤输出402提供多个波长的激光束。因此，可以从不同波长生成附加数据点。在一些实施例中，可以在不同的光学检测器404处检测波长。因此，波长可以由衍射光栅412分开。这将具有不同波长的光的激光束各自引导到各自的光学检测器404。因此，如两个光纤输出402所示，四个光学检测器404可以生成用于分析的信号。这提供了四个总数据点和与环境有关的附加信息。在一些实施例中，在波分复用器之后提供镜(未示出)。因此，光学检测器可以放置在与图5所示不同的位置，并且镜可以将光引导到朝向检测器。这可以提供如下好处：给予发散波长光束在到达光学检测器404之前发散的更远的距离，而不需要将检测器相对于偏振分束器进一步移动。
图6示出扫描系统的光学电路600的方面。例如，根据一些示例实现，图6的光学电路600可以是如关于上面图2所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光学电路600包括多个光纤输出602和多个光学检测器604，然而，在各种实施例中，光学电路600可以包括更少的或附加的光纤输出602或光学检测器604。四分之一波片608可以变换光学电路600中的光的偏振状态。此外，光学电路600包括用于准直偏振分束器606内的光束的一个或多个微透镜阵列614、616、618。准直的光可以改进偏振分束器606内的激光束的对准和公差。例如，第一微透镜阵列614可以准直离开光纤输出602的光，第二微透镜阵列618可以使光不准直地进入目标环境。然后，当激光进入偏振分束器606时可以是准直的。如图6所示，光学电路包括波分复用器612，然而，光学电路600内的光的准直可以用单波长光纤输出602来进行，并且现在是波分复用器612。在一些实施例中，光学电路600包括用于将激光束会聚在光学检测器604处的微透镜阵列616。
图7A提供用于实现这里所描述的光学电路的示例结构的俯视图700的图。光学电路700包括光纤输出702、光学检测器704、偏振分束器706、四分之一波片708和透镜710。在一些实施例中，透镜可以包括四分之一波片708之后的涂层或用于在光偏振之后将一些光反射回光纤输出702的另一种结构。可以从环境接收附加光，并且该附加光与偏振分束器706内的本地振荡器信号干涉。然后，偏振分束器可以将组合信号反射到光检测器704。如图7A和图7B所示，该实现包括用于光学输出的多个单模光纤712和用于光学检测器的多个多模光纤714。因此，多模光纤714具有比单模光纤712更大的区域。这降低了在接收多模光纤712上走离的可能。图7B提供用于实现这里所描述的光学电路的示例硅结构700的侧视图的图。如图所示，偏振分束器706附接到电路板并在电路板表面的上方延伸。
图8A提供用于实现这里所描述的光学电路的示例结构的图。光学电路800包括光纤输出802、光学检测器804、偏振分束器806、四分之一波片808和透镜810。如图所示，四分之一波片806涂覆在偏振分束器806上。在一些实施例中，透镜810可以是四分之一波片808之后的涂层或诸如微透镜阵列等的用于在光偏振之后将一些光反射回光纤输出802的另一结构。可以从环境接收附加光，并且该附加光与偏振分束器806内的本地振荡器信号干涉。然后，偏振分束器可以将组合信号反射到光学检测器804。如图8A所示，实现包括用于光学输出的多个单模光纤812和用于光学检测器的多个多模光纤814。因此，多模光纤814具有比单模光纤812更大的区域。这降低了在接收多模光纤114上走离的可能。图8B提供用于实现这里所描述的光学电路的示例硅结构800的侧视图的图。如图所示，偏振分束器806与用于较低配置(profile)芯片的表面板集成。这可以提供用于光学系统的紧凑的实现。
图9提供用于实现这里所描述的光学电路的示例硅结构900的图。如图所示，光源902和检测器904被实现在单个印刷电路板914上。为了完成光源902和检测器904的平面分布，在光学电路900的设计中并入了折叠镜912。因此，在偏振分束器908处接收到偏振光之后，偏振光被朝向折叠镜912反射。图9所示的示例结构还可以包括μ透镜914，其准直离开光源902的光和被返回到检测器904的光。
在附加实施例中，如图10所示，光源1002可以提供不同波长的光。这些光可以通过折叠镜中的第一折叠镜1012上的波分复用器涂层来区分，而剩余波长穿过。折叠镜1012可以是立方体而不是棱镜，以避免穿过折叠镜1012的光的折射。在这种情况下为到第二折叠镜1014的光。在一些实施例中，可以使用具有不同波分复用器的附加折叠镜来进一步区分其他频率的光。此外，光学电路1000可以具有多个光学检测器1003和1004。在一些实施例中，这些可以各自针对基于折叠镜和波分复用器引导朝向检测器的特定波长的光来优化。图10所示的示例结构还可以包括μ透镜1016，其准直离开光源1002的光和返回到检测器1003和1004的光。
受益于前述描述和相关联的附图中所呈现的教导，对于本领域的技术人员来说将想到这里提出的发明的许多修改和其他实现。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实现，并且修改和其他实现旨在被包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管前述描述和相关联的附图描述了要素和/或功能的某些示例组合的上下文中的示例实现，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以通过可选实现来提供要素和/或功能的不同组合。在这一点上，例如，还设想了与上面所明确描述的那些不同的要素和/或功能的组合，如在一些所附权利要求中所提出的那样。尽管这里采用了特定术语，但它们仅用于一般和描述性的意义，而不是出于限制的目的。

Claims (20)

1.一种光检测和测距设备即LIDAR设备，其包括：
激光源，其被配置为在第一方向上发射激光束；
透镜光学器件，其被配置为使所述激光束的第一部分在所述第一方向上朝向目标穿过，将所述激光束的第二部分作为本地振荡器信号返回到返回路径中，并且将目标信号返回到所述返回路径中；
偏振波片，其被配置为偏振在所述第一方向上前进的激光束，并且偏振经由所述透镜光学器件返回的所述目标信号；
偏振分束器，其被配置为使第一偏振状态的光在所述第一方向上穿过所述分束器，并且在与所述第一方向不同的第二方向上反射第二偏振状态的光，其中，所述偏振分束器还被配置为使得所述本地振荡器信号和所述目标信号之间的干涉能够生成组合信号；以及
光学检测器，其被配置为接收来自所述第二方向的所述组合信号。
2.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，还包括第二激光源和第二光学检测器。
3.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，还包括用于将所述信号引导到所述光学检测器的波分复用器和基于波长的第二光学检测器，其中所述激光源提供多波长激光束。
4.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，其中，所述偏振波片包括四分之一波片和半波片其中之一。
5.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，还包括用于准直通过所述偏振分束器的激光束的透镜器件。
6.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，其中，所述激光源和所述光学检测器位于具有一个或多个折叠镜的一个或多个印刷电路板上，以将所返回的光引导到所述光学检测器。
7.根据权利要求6所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，其中，所述折叠镜还包括波分复用器涂层以将第一波长的光反射到所述光学检测器，并且允许第二波长的光穿过该涂层到达第二折叠镜并反射到第二光学检测器。
8.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，还包括第二激光源，其中，所述激光源和所述第二激光源各自提供多波长激光束。
9.根据权利要求1所述的光检测和测距设备即LIDAR设备，其中，所述透镜光学器件还包括反射器或涂层以生成作为所述本地振荡器信号的返回光。
10.一种光检测和测距系统即LIDAR系统，其包括：
快速扫描镜，用于按光栅图案引导激光束来扫描环境；
光学电路，用于生成和接收所述激光束，所述光学电路包括：
激光源，其被配置为在第一方向上发射激光束；
透镜光学器件，其被配置为使所述激光束的第一部分在所述第一方向上朝向目标穿过，将所述激光束的第二部分作为本地振荡器信号返回到返回路径中，并且将目标信号返回到所述返回路径中；
四分之一波片，其被配置为变换在所述第一方向上前进的激光束的偏振状态和经由所述透镜光学器件返回的所述目标信号的偏振状态，使得这些偏振正交；
偏振分束器，其被配置为使偏振光在所述第一方向上穿过所述分束器，并且在与所述第一方向不同的第二方向上反射正交偏振光，其中，所述偏振分束器还被配置为使得所述本地振荡器信号和所述目标信号之间的干涉能够生成组合信号；以及
光学检测器，其被配置为接收所述组合信号。
11.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括第二激光源和第二光学检测器。
12.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括用于将所述信号引导到所述光学检测器的波分复用器和基于波长的第二光学检测器，并且其中所述激光源提供多波长激光束。
13.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，其中，所述光学检测器包括多模波导。
14.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括用于准直通过所述偏振分束器的激光束的透镜器件。
15.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，其中，所述激光源和所述光学检测器位于具有折叠镜的同一印刷电路板上，以将所返回的光引导到所述光学检测器。
16.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括第二激光源，其中，所述激光源和所述第二激光源各自提供多波长激光束。
17.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，其中，所述透镜光学器件包括反射器或涂层以生成作为本地振荡器信号的返回光。
18.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括第二快速扫描镜，其中，第一快速扫描镜用于绕第一轴扫描，并且所述第二快速扫描镜用于绕第二轴扫描。
19.根据权利要求10所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统包括处理装置，以：
控制有源光学电路的光学驱动器；
控制所述快速扫描镜的运动操作；以及
处理从所述光学检测器接收到的信号以生成三维空间的点云。
20.根据权利要求10所述的光检测和测距系统即LIDAR系统，还包括一个或多个成像装置，其中，所述成像装置拍摄所述环境的图像。
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