CN113767301A - 闪光lidar的选通窗口相关照明 - Google Patents

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Abstract

光探测和测距(LIDAR)系统包括一个或更多个发射器元件、一个或更多个探测器元件以及至少一个控制电路。一个或更多个发射器元件被配置为响应于相应的发射器控制信号而发射光信号，一个或更多个探测器元件被配置为探测光信号脉冲之间以及在相对于脉冲不同的相应延迟下的针对相应选通操作窗口的入射光子。至少一个控制电路被配置为基于一个或更多个探测器元件的相应的选通操作窗口，生成相应的发射器控制信号以不同地操作一个或更多个发射器元件。

Description

闪光LIDAR的选通窗口相关照明
优先权要求
本申请要求于2019年1月31日提交到美国专利商标局的第62/799,116号美国临时专利申请和于2019年10月1日提交到美国专利商标局的第62/908,801号美国临时专利申请的优先权的权益，其公开通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请本公开总体上涉及成像，并且更具体地涉及基于光探测和测距(LIDAR)的成像。
背景技术
闪光型LIDAR(本文也称为激光雷达)可使用脉冲光发射阵列在相对较大的区域内短时间发射光以获取图像，可允许大视场或大场景固态成像(例如，大约120度到180度的视场或更大的视场)。然而，为了照亮如此大的视场(其可能包括长距离和/或低反射率目标以及在明亮的环境光条件)并仍然从那里接收可识别的返回或反射的光信号(本文也称为回波信号)，可能需要更高的光发射功率，这可能是低效的和/或不可取的。
也就是说，由于来自环境和/或其他非LIDAR发射器光源的“背景”噪声(本文也称为本底噪声)水平相对较高，在某些应用中可能需要更高的发射功率(从而消耗更高的功率)。这在某些应用中可能会出现问题，例如，无人机(UAV)、汽车、工业机器人。例如，在汽车应用中，汽车电源必须满足增加的发射功率要求，这可能会给汽车制造商增加相当大的负担。因此，LIDAR汽车市场的需求可能主要针对低功率系统。此外，由更高的发射功率产生的热量可能会改变光发射阵列的光学性能和/或可能对可靠性产生负面影响。
发明内容
本文描述的一些实施例提供了包括电子电路的方法、系统和设备，其包括电子电路、一个或更多个光探测器元件以及一个或更多个控制电路；电子电路提供包括一个或更多个发射器元件(包括一个或更多个光发射设备或激光器，例如表面或边沿发射激光二极管，在本文中通常称为发射器，其响应于发射器控制信号而输出发射器信号)的LIDAR系统；一个或更多个光探测器元件包括一个或更多个光电探测器，例如光电二极管，包括雪崩光电二极管和单光子雪崩探测器；在本文中通常称为探测器，其响应于入射光而输出探测信号；一个或更多个控制电路被配置为基于发射器元件在发射器阵列中的位置选择性地操作发射器元件的子集，和/或基于一个或更多个探测器元件的相应选通操作窗口，调整由一个或更多个发射器元件发射的光信号的相应功率电平。相应选通窗口可以对应于基于光信号的脉冲之间的时间的成像距离范围的相应子范围。相应选通窗口可以对应于探测器元件的相应采集子帧，其中，每个采集子帧可以为不同的选通窗口收集数据。
根据一些实施例，LIDAR系统包括一个或更多个发射器元件、一个或更多个探测器元件以及至少一个控制电路；一个或更多个发射器元件被配置为响应于相应的发射器控制信号而发射光信号，一个或更多个探测器元件被配置为探测光信号的脉冲之间以及在相对于脉冲不同的相应延迟下的用于相应选通操作窗口的入射光子。至少一个控制电路被配置为基于一个或更多个探测器元件的相应选通操作窗口，生成相应的发射器控制信号以不同地操作一个或更多个发射器元件(例如，在峰值输出功率、有源发射器的密度和/或阵列中的位置方面)。
在一些实施例中，相应的发射器控制信号操作一个或更多个发射器元件以针对相应选通窗口的第一选通窗口以第一功率电平发射光信号，并针对相应选通窗口的第二选通窗口以第二功率电平发射光信号。
在一些实施例中，第一选通窗口对应于基于光信号的脉冲之间的时间的距离范围的比第二选通窗口更近的子范围，并且第二功率电平大于第一功率电平。
在一些实施例中，一个或更多个发射器元件包括位于发射器阵列的相应区域的第一发射器元件和第二发射器元件，并且相应的发射器控制信号操作第一发射器元件和第二发射器元件分别针对第一选通窗口和第二选通窗口以第一功率电平和第二功率电平发射光信号。例如，相应的发射器控制信号可以操作第一发射器元件在包括针对第一选通窗口的第一功率电平的第一功率电平范围内发射光信号，并且可以操作第二发射器元件在包括针对第二选通窗口的第二功率电平的第二功率电平范围内发射光信号。第一发射器元件相比于第二发射器元件可以占据发射器阵列的更大部分。
在一些实施例中，一个或更多个发射器元件包括发射器元件的第一子集和第二子集，并且相应的发射器控制信号操作第一子集以针对相应选通窗口的第一选通窗口发射光信号，并且操作第二子集以针对相应选通窗口的第二选通窗口发射光信号。
在一些实施例中，第一子集和第二子集位于发射器阵列的不同区域和/或包括发射器元件的不同密度。
在一些实施例中，相应的发射器控制信号操作第一子集以针对第一选通窗口发射具有第一功率电平的光信号，并且操作第二子集以针对第二选通窗口发射具有第二功率电平的光信号，其中第二功率电平大于第一功率电平。
在一些实施例中，第一选通窗口对应于基于光信号的脉冲之间的时间的距离范围的比第二选通窗口更近的子范围。
在一些实施例中，第二子集包括的发射器元件少于第一子集。
在一些实施例中，第一子集包括位于发射器阵列的外围区域的发射器元件，并且第二子集包括位于发射器阵列的中央区域的发射器元件。
在一些实施例中，第一选通窗口包括对应于距离范围的相应子范围的第一集合的第一组选通窗口，并且第二选通窗口包括对应于距离范围的相应子范围的第二集合的第二组选通窗口。
根据一些实施例，至少一个控制电路被配置为输出相应的发射器控制信号以操作发射器阵列的一个或更多个发射器元件以针对探测器阵列的一个或更多个探测器元件的第一选通操作窗口以第一功率电平发射第一光信号，并且针对一个或更多个探测器元件的第二选通操作窗口以不同于第一功率电平的第二功率电平发射第二光信号。第一选通窗口和第二选通窗口对应于基于光信号的脉冲之间的时间(例如，短于或等于光在此期间穿过的距离)的距离范围的相应子范围。
在一些实施例中，第一选通窗口对应于相应子范围的比第二选通窗口更近的子范围，并且第二功率电平大于第一功率电平。
在一些实施例中，一个或更多个发射器元件包括发射器元件的第一子集和第二子集，并且相应的发射器控制信号操作第一子集以针对第一选通窗口以第一功率电平发射第一光信号，并且操作第二子集以针对第二选通窗口以第二功率电平发射第二光信号。发射器控制信号可以操作发射器元件在对应于距离范围的较近子范围的选通窗口期间降低光信号的输出功率，并在对应于距离范围的较远子范围的选通窗口期间增加光信号的输出功率。
在一些实施例中，第一子集和第二子集位于发射器阵列的不同区域和/或包括发射器元件的不同密度。
在一些实施例中，第二子集包括的发射器元件比第一子集少。
在一些实施例中，距离范围包括对应于第一光信号的脉冲之间的第一时间的第一距离范围，以及对应于第二光信号的脉冲之间的第二时间的第二距离范围。
根据一些实施例，至少一个控制电路被配置为输出相应的发射器控制信号以操作发射器元件的第一子集(例如，位于发射器阵列的第一区域和/或包括发射器元件的第一密度)以针对探测器阵列的探测器元件的第一组选通操作窗口发射光信号，并且操作不同于第一子集的发射器元件的第二子集(例如，位于发射器阵列的第二区域和/或包括发射器元件的第二密度)以针对探测器元件的第二组选通操作窗口发射光信号。选通窗口对应于基于光信号的脉冲之间的时间的距离范围(例如，短于或等于光在此期间穿过的距离)的相应子范围。
在一些实施例中，第一子集包括位于发射器阵列的第一区域的发射器元件，并且第二子集包括位于发射器阵列的不同于第一区域的第二区域的发射器元件。
在一些实施例中，第一区域包括发射器阵列的外围区域，并且第二区域包括发射器阵列的中央区域。
在一些实施例中，相应的发射器控制信号被配置为操作发射器元件的第一子集以第一功率电平发射第一光信号，并且操作发射器元件的第二子集以第二功率电平发射第二光信号。
在一些实施例中，第一选通窗口对应于相应子范围的比第二选通窗口更近的子范围，并且第二功率电平大于第一功率电平。
在一些实施例中，第二子集包括的发射器元件比第一子集少。
在一些实施例中，第一选通窗口包括第一组选通窗口，并且第二选通窗口包括第二组选通窗口。第一组选通窗口可以是第二组选通窗口的子集和/或第二功率电平可以大于第一功率电平。
在一些实施例中，LIDAR系统被配置为耦接到自动驾驶车辆，使得一个或更多个发射器元件和一个或更多个探测器元件相对于自动驾驶车辆的预期行进方向定向。
在阅读以下附图和详细描述后，根据一些实施例的其他设备、装置和/或方法对于本领域技术人员将变得显而易见。除了上述实施例的任意组合和所有组合，所有此类附加的实施例旨在都被包括在本说明书中，落入本发明的范围内，并且受到所附权利要求的保护。
附图说明
图1示出了根据本公开的一些实施例的被配置为提供依赖于选通窗口的发射器控制的示例性lidar系统或电路的框图。
图2示出了根据本公开的一些实施例的示例lidar控制电路的框图。
图3A示出了根据本公开的一些实施例的发射器信号的脉冲、探测器操作的选通窗口和发射器信号的功率电平之间的示例性相对定时的时序图。
图3B示出了根据本公开的一些实施例的用于增加对应于增加的距离子范围的选通窗口的输出信号功率的示例性操作的图。
图3C示出了根据本公开的一些实施例的定义全图像采集帧的图像采集子帧的时序的图。
图4A示出了根据本公开的一些实施例的操作lidar发射器阵列以针对不同的选通窗口改变发射器阵列的不同区域处的发射器的操作的示例。
图4B示出了根据本公开的一些实施例的lidar发射器阵列针对不同的选通窗口改变发射器阵列的在不同区域处的发射器的操作密度来提供图4A的照明模式的示例性操作。
图4C示出了根据本公开的一些实施例的lidar发射器阵列针对不同的选通窗口改变发射器阵列的在不同区域处的发射器的输出信号功率来提供图4A的照明模式的示例性操作。
图5A示出了根据本公开的一些实施例的被配置为提供依赖于选通窗口的照明模式的示例性汽车lidar系统的图。
图5B、图5C和图5D是示出根据本公开的一些实施例的可以用于实现图5A的照明模式的照明控制方案的示例的图。
图6是示出根据本公开的实施例的用于改变不同选通窗口的发射器的相应区域或子集的操作以提供空间变化的功率模式的lidar发射器阵列的示例操作的图。
图7是示出由一些闪光lidar系统提供的照明模式的框图。
图8是示出发射器信号的脉冲、探测器操作的选通窗口和一些闪光lidar系统的发射器信号的功率电平之间的示例性相对定时的时序图。
图9A-图9D是示出根据本公开的一些实施例的具有变化的发射器密度的发射器阵列中照明控制方案的示例的图。
图10A-图10D是示出根据本公开的一些实施例的具有均匀发射器密度的发射器阵列中照明控制方案的示例的图。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本公开可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免混淆本公开。旨在本文公开的所有实施例可以单独实施或以任何方式和/或组合实施。关于一个实施例描述的方面可以并入不同的实施例中，尽管没有对其进行具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合。
本文参考lidar应用和系统来描述本公开的实施例。lidar系统可以包括发射器阵列和探测器阵列，或具有单个发射器和探测器阵列的系统，或具有发射器阵列和单个探测器的系统。如本文所述，一个或更多个发射器可以定义发射器单元，一个或更多个探测器可以定义探测器像素。闪光lidar系统可以通过在视场(FOV)或场景上以短持续时间(脉冲)从发射器元件的阵列或阵列的子集发射光来获取图像。非闪光lidar系统或扫描lidar系统可以通过在视场或场景上(连续)光栅扫描光发射来生成图像帧，例如，使用点扫描或线扫描来发射每个点所需的功率，然后顺序地扫描以重建全视场FOV。
本文描述的一些实施例源于以下认识：虽然闪光LIDAR系统可能需要更高的光发射功率来照亮整个视场或场景(例如，与扫描LIDAR相比)，但视场/场景的每个部分(点)接收来自发射器的功率输出的部分(本文也称为发射器功率或输出信号功率)。虽然整体LIDAR系统功率源自发射器和接收器功率要求，并且两者都可以通过改进或优化设计来解决，但本文描述的一些实施例主要参考可以降低闪光LIDAR操作中发射器功率的自适应照明方案来描述。然而，应当理解的是，本文描述的自适应照明方案可以类似地适用于扫描LIDAR操作，例如，当通过顺序激活本文描述的发射器阵列的发射器的行/列以电子方式实现扫描时，和/或在场景中扫描从发射器输出的光束阵列时(例如，使用微机电系统)的“扫描闪光”实施方式。
在本文描述的实施例中，探测窗口或探测器选通窗口可以指在发射器(其同样可以响应于来自控制电路的相应的发射器控制信号)的脉冲之间的时间周期或时间内一个或更多个探测器(例如，响应于来自控制电路的相应选通信号)的激活和失活的相应持续时间。脉冲之间的时间(其定义了激光周期，或更一般地，定义了发射器脉冲频率)可以被选择或者可以以其他方式对应于LIDAR系统的期望的成像距离范围。每个选通窗口可以相对于发射器脉冲不同地延迟，因此可以对应于距离范围的相应部分或子范围。每个选通窗口还可以对应于图像帧的相应图像采集子帧(或更具体地，本文一般称点云采集子帧，一般地在本文称为子帧)。也就是说，每个图像帧包括多个子帧，每个子帧在时间段内采样或收集相应选通窗口的数据，并且每个选通窗口覆盖或对应于距离范围的相应距离子范围。如本文描述的范围测量和选通窗口子范围对应关系基于发射器脉冲的飞行时间。一些传统的选通技术(例如，如Banks等人在第2017/0248796号美国专利申请公开中所描述的选通技术)可以基于接收回波的选通窗口来测量距离。
一些发射器功率管理方案(例如，如授予Weimer等人的第8,736,818号美国专利中所描述的发射器功率管理方案)可以使用第一照明模式来照明场景以识别具有潜在目标的感兴趣区域(ROI)，并且可以使用针对所识别的ROI量身定制的第二照明模式(例如，发射器的选择性激活)以确定目标范围。其他发射器功率管理方案(例如，如授予Tan等人的第7,544,945号美国专利中所描述的发射器功率管理方案)可以描述区域照明。
由一些闪光LIDAR系统提供的照明如图7所示。图7的系统700在距离范围内提供了宽广的FOV 790，例如，覆盖200米(m)距离范围(相对于LIDAR系统的发射器/探测器)的120°(水平)×30°(垂直)FOV(可分为15°×15°区域或区)范围。此系统可以通过在空间上(以均等的强度覆盖整个FOV)和时间上(在整个操作期间均等地覆盖整个FOV)用主动照明(例如，由从发射器输出的激光脉冲提供)均等地淹没FOV来操作。
如上所述，LIDAR系统的发射器脉冲频率可以被选择或者可以以其他方式对应于期望的成像距离范围。例如，如图8所示，可以选择大约750kHz的发射器脉冲频率(因此，激光脉冲815e之间的时间周期为1.333微秒(μs))来对200m距离范围成像。在图8的示例中，操作发射器(例如，响应于本文描述的一个或更多个控制电路的控制信号)以在每个时间周期开始时发射脉冲光信号815e。操作传感器或探测器(例如，响应于来自本文描述的一个或更多个控制电路的选通信号)以便将1.333μs时间周期划分为2-50个选通窗口(示出了30个选通窗口801-830)，并依次循环每个选通窗口的采集(或更具体地说，点云采集子帧)。选通窗口范围可以单调递增或单调递减(例如，减少或最小化加热)。在图8的示例中，无论或不论哪个选通窗口用于特定采集，都可以操作VCSEL，使得输出光信号具有相同的功率电平，也就是说，发射功率可以均匀地施加到每个选通窗口的发射器。特别地，在图8中，脉冲815e的VCSEL发射功率对于选通窗口802、808和820可以相同，而与每个选通窗口覆盖的200m距离的相应子范围无关。
返回或反射光信号功率通常随着目标距离的增加而减小，例如，随着目标距离的平方根而减小。特别地，对于固定的发射器脉冲功率，对应于系统定义的距离范围(例如，在选通2内)的较近子范围的选通窗口的返回或回波信号脉冲功率远大于对应于定义的距离范围(例如，在选通50内)的较远子范围的选通窗口的返回脉冲功率。
本公开的一些实施例源于以下认识：一些照明方案可能是次优的，因为在观察附近的选通窗口时(即，当成像子帧收集对应于选通范围的较近的子范围的选通窗口数据时)可能会使用比必要功率更大的发射器功率，因为返回信号脉冲功率已经很高，这可能会导致不必要的高整体系统功率。例如，在图8中，假设对于10fps(每秒帧数)系统，每个选通的激光周期＝250，VCSEL pw(脉冲宽度)＝10ns，峰值功率＝65kW，Rep速率(或激光周期)＝750kHz。这导致非常高的电力消耗。
本公开的实施例提供了发射器和相关联的控制电路，其在基于发射器的光信号脉冲之间的时间内的一个或更多个探测器的相应选通操作窗口智能地或自适应地调整发射器输出功率(例如，基于一个或更多个发射器的峰值输出功率、激活的发射器的密度和/或发射器在阵列中的位置)，例如，基于对应于一个或更多个探测器的相应选通窗口的距离子范围。在特定的实施例中，相应的发射器控制信号可以被施加到发射器，以便为探测器的不同的图像采集子帧输出不同的光信号功率电平，其中，每个子帧收集不同选通窗口(因此对应于选通窗口的相应距离子范围)的数据。在一些实施例中，不同的光信号功率电平可以是不同的非零功率电平，而在其他实施例中，不同的光信号功率电平之一可以包括零功率(即，发射器关闭状态)。定序器电路或其他控制电路可以被配置为协调相应的发射器控制信号的输出以随着相应选通信号的输出而增加或减少从一个或多个发射器输出的光信号功率电平，这激活/停用对应于不同的距离子范围的选通窗口的探测器。
图1中示出了根据本公开的实施例的可以操作的lidar系统或电路100的示例。lidar系统100包括控制电路105、定时电路106、包括多个发射器115e的发射器阵列115和包括多个探测器110d的探测器阵列110。探测器110d包括飞行时间传感器(例如，单光子探测器阵列，例如SPAD)。发射器阵列115的一个或更多个发射器元件115e可以定义发射器单元，发射器单元分别以由定时发生器或驱动器电路116控制的时间和频率发射光照明脉冲或连续波信号(本文一般称为光信号或发射器信号)。在特定的实施例中，发射器115e可以是脉冲光源，例如LED或激光器(例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))。光信号从目标150反射回来，并由探测器阵列110的一个或更多个探测器元件110d定义的探测器像素感测。控制电路105可以实现像素处理器，像素处理器使用直接或间接ToF测量技术测量和/或计算照明脉冲在从发射器阵列115到目标150并返回到探测器阵列110的探测器110d的行程中的飞行时间。
在一些实施例中，发射器模块或电路115可以包括发射器元件115e(例如，VCSEL)的阵列、耦合到一个或更多个发射器元件的光学元件113、114(例如，透镜113(例如微透镜)和/或扩散器114)的相应阵列和/或驱动器电子设备116。光学元件113、114可以是可选的，并且可以被配置为提供从发射器元件115e输出的光的足够低的光束发散，以便确保单个发射器元件115e或发射器元件115e组的照明场不会显着地重叠，并且还提供从发射器元件115e输出的光的足够大的光束发散以向观察者提供人眼安全性。
驱动器电子设备116可以各自对应于一个或更多个发射器元件，并且可以各自响应于参考主时钟和/或功率控制信号的时序控制信号进行操作，所述主时钟和/或功率控制信号控制发射器元件115e输出的光的峰值功率，例如，通过控制到发射器元件115e的峰值驱动电流。在一些实施例中，发射器阵列115中的每个发射器元件115e连接到相应的驱动器电路116并由其控制。在其他的实施例中，发射器阵列115中的各组发射器元件115e(例如，在空间上彼此接近的发射器元件115e)，可以连接到相同的驱动器电路116。驱动器电路或电路系统116可以包括一个或更多个驱动器晶体管，其被配置为控制从发射器115e输出的光信号的调制频率、时序和幅度/功率电平。
在一些实施例中，接收器模块/探测器模块或电路110包括探测器像素的阵列(每个探测器像素包括一个或更多个探测器110d，例如，SPAD)、接收光学器件112(例如，一个或更多个透镜，用于收集FOV 190上的光)，以及接收电子设备(包括定时电路106)，它们被配置为对探测器阵列110的全部或部分供电、启用和禁用，并向其提供定时信号。探测器像素可以以至少纳秒精度被激活或停用，并且可以是单独可寻址的、按组可寻址的和/或全局可寻址的。接收光学器件112可以包括被配置为从最大的FOV收集可由lidar系统成像的光的微距透镜，用于提高探测像素的收集效率的微透镜，和/或用于减少或防止杂散光探测的抗反射涂层。在一些实施例中，可以提供光谱滤波器111以通过“信号”光(即，波长对应于与从发射器输出的光信号的波长的光)或允许“信号”光通过，但基本上拒绝或阻止非信号光(即，波长与从发射器输出的光信号的波长不同的光)通过。
探测器阵列110的探测器110d连接到定时电路106。定时电路106可以锁相到发射器阵列115的驱动器电路116。可以控制每个探测器110d或探测器组的灵敏度。例如，当探测器元件包括反向偏置光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、PIN二极管和/或盖革模式雪崩二极管(SPAD)时，可以调整反向偏置，由此，过偏置越高，灵敏度越高。当探测器元件110d包括诸如CCD、CMOS光电门的集成器件和/或光子混合设备(pmd)时，可以调整电荷积分时间以使得更长的积分时间转化为更高的灵敏度。
从一个或更多个发射器115e输出的光发射入射在一个或更多个目标150上并被一个或更多个目标150反射，并且反射光由一个或更多个探测器110d(例如，通过接收光学器件112)被探测作为光信号(本文也称为返回信号、回波信号或回波)，转换成电信号表示(本文中被称为探测信号)，并被处理(例如，基于飞行时间)以定义视场190的3D点云表示170。根据本文描述的本公开的实施例的lidar系统的操作可以由一个或更多个处理器或控制器执行，例如图1的控制电路105。
来自多个发射器115e的光信号的同时发射为闪光LIDAR系统提供单个图像帧。发射器115e的最大光功率输出可以被选择为在根据本文描述的实施例可以探测到的最亮的背景照明条件下，生成来自最远、反射最少的目标的回波信号的信噪比。举例说明用于控制光的发射波长的可选滤波器和用于增加发射器阵列115的照明场的扩散器114。在一些实施例中，来自单个发射器115e的光发射不与其他发射器115e的光发射混合。在一些实施例中，来自单个发射器115e的光发射例如通过使用扩散器114进行混合，但是在单个发射器元件115e的发射轮廓和照亮场景的扩散光之间保持一些空间相关性。不失一般性地，本文描述的实施例假定图1中所示的扩散器114不存在。在一些实施例中，同时激活所有发射器115e。来自各种目标的反射信号在返回并入射到探测器阵列110的探测器110d上时被探测到。
在一些实施例中，控制电路105，可以包括一个或更多个微控制器或微处理器，向不同发射器115e的驱动器电路116提供不同的控制信号，与向不同探测器110d的定时电路106提供不同的探测器控制信号(例如，选通信号)相协调，以便基于对应于探测器110d的相应选通操作窗口的各个距离子范围来不同地操作发射器115e，以探测来自目标150的回波信号。例如，一些实施例可以通过基于施加于操作相应选通窗口的探测器110d的选通信号，以不同输出功率电平、不同的发射器密度和/或在发射器阵列中发射器的不同的空间位置操作发射器115e的子集来实现功率节省。
图2中示出了生成发射器和/或探测器控制信号的控制电路205的示例。图2的控制电路205可以表示一个或更多个控制电路，例如，发射器控制电路被配置为向发射器阵列115的驱动器电路116提供发射器控制信号，和/或探测器控制电路被配置为向本文描述的探测器阵列110的定时电路106提供选通信号。如本文所使用的“选通”可以指探测器控制信号的产生(本文也称为选通信号或“选通”)以控制lidar系统的一个或更多个探测器110d的激活定时和/或激活的持续时间(探测或选通窗口)。例如，从控制电路205输出的探测器控制信号可以提供给定时电路106的可变延迟线，可变延迟线可以生成具有适当定时延迟的选通信号并将其输出到探测器阵列110。
此外，控制电路205可以包括被配置为协调发射器115e和探测器110d的操作的定序器电路。更一般地，控制电路205可以包括一个或更多个电路，一个或更多个电路被配置为生成相应选通信号，选通信号控制来自发射器115e的光信号的脉冲之间的相应选通窗口的探测器110d的激活定时和/或激活的持续时间，以及响应于相应选通信号，基于与来自发射器115e的光信号的脉冲之间的探测器110d的激活的相应选通窗口对应的距离子范围生成相应的发射器控制信号以控制来自一个或更多个发射器115e的光信号的输出(例如，基于阵列115的各个位置和/或调整从其输出的光信号的功率电平)。
图3A是示出了根据本公开的一些实施例的从发射器输出的光信号的脉冲(以激光信号的脉冲的方式示出，也被称为激光脉冲)、探测器操作的选通窗口和光信号的功率电平(本文也称为输出信号功率)之间的相对定时的时序图。图3B示出了用于增加对应于增加的距离子范围的选通窗口的输出信号功率的操作的曲线图。图3C示出了定义全图像采集帧的图像采集子帧的时序的图。可以响应于由一个或更多个控制电路(例如本文描述的控制电路105、205)生成的控制信号(例如发射器控制信号和探测器选通信号)来执行图3A和图3B示出的操作。
在图3A的示例中，发射器控制信号操作发射器阵列的一个或更多个VCSEL以降低用于对应于附近目标/距离范围的较近子范围(其可以对应于激光脉冲之间的时间周期)的选通窗口的激光脉冲315e的功率电平，和/或增加用于对应于所定义的距离范围的远目标/更远子范围的选通窗口的激光脉冲345e的功率电平。如上所述，激光脉冲315e之间的激光周期或时间周期(其是激光脉冲315e的频率或重复率的倒数)可以基于最远的允许目标来确定，也就是说，基于所期望的成像距离范围来确定。
如图3A所示，为了在大约200m的距离处对目标成像，可以使用激光脉冲315e之间大约1.333微秒的范围时间周期，其对应于750kHz的激光频率/重复率。在图3A的示例中，VCSEL的输出信号功率随着选通窗口301-330对应于增加的距离子范围而增加(本文也被描述作为“阶梯式”)，使得更大或最大的输出信号功率用于更远的选通窗口/更远子范围，如图3B的图形所示。也就是说，由于返回信号脉冲功率随着目标距离范围的增加以平方律的方式降低，因此可以以类似的方式增加VCSEL功率以进行补偿。然而，应当理解的是，以距离子范围的方式逐步增加VCSEL输出功率的操作是以示例的方式提供的，并且本公开的实施例不限于图3A和图3B中示出的配置。例如，虽然以数字顺序或序列(对应于增加的距离子范围)针对选通窗口301-330的探测器操作进行了说明，但应当理解的是，可以按照任何顺序(例如，非顺序的或甚至随机的)为选通窗口301-330操作探测器，并且相应地操作发射器。
更详细地，图3A示出，在激光周期(如上文所述，其指的是激光脉冲315e之间的时间)中，响应于发射器控制信号，VCSEL在时间周期的开始时被脉冲化或激发。在预定延迟之后，通过选通信号(例如，持续时间对应于选通信号的脉冲宽度)为选通窗口激活探测器阵列的一个或更多个SPAD。选通窗口定义了激光周期中一个或更多个SPAD充电或激活以允许光子探测的时间。在图3A和图3B的示例中，有X＝30个不同的选通窗口301到330，每个对应于200m距离范围的相应部分或子范围。选通窗口和相关联的子范围可以相互排斥或重叠，并且可以单调地排序或非单调地排序。
此外，在图3A和图3B中，每个图像帧被分成30个图像采集子帧，以示例的方式示出了在子帧2、8和20期间为激光脉冲315e显示输出信号功率。在一些实施例中，每个子帧中可能有大约10-3000个激光周期，其中，每个子帧收集用于相应选通窗口的数据。例如，在X＝30个选通窗口的情况下，可以操作lidar系统100以收集超过1000个激光周期的选通窗口301的数据(对应于0m到10m的距离范围)，执行选通窗口读出操作，然后对另外的选通窗口(例如，选通窗口302)重复此过程，直到已经收集所有30个选通窗口的数据以定义完整的图像采集帧。应当理解的是，虽然以示例的方式说明按数字顺序执行，但可以按任何顺序执行对选通窗口1至X的采集；例如，在上面X＝30个选通窗口的示例中，可以为选通窗口301、然后为选通窗口308、之后为选通窗口320等收集数据，直到为已经获取了图像帧的所有30个选通窗口301到330的数据。
图3C示出了定义全图像采集帧(本文也称为完整帧或帧)的图像采集子帧(在本文中也称为子帧)的时序的图。如图3C所示，全帧被分成连续的子帧(1到X)，每个对成像距离范围的不同的距离子范围进行成像，因此，每个对应于相应选通窗口301-330。如上所述，每个子帧可以包括对于多个激光脉冲(例如，10s、100s或1000s的激光脉冲)的数据采集。子帧的持续时间可以相等或不相等，和/或相对于相应的距离子范围可以重叠或不重叠。例如，在一些实施例中，连续子帧所成像的距离子范围可能存在重叠(例如，子帧1可以对应于0m到12m的距离子范围，而子帧2可以对应于10m到22m的距离子范围)。
对于每个图像采集子帧，每个选通窗口301到330相对于激光脉冲315之间的周期的延迟和/或持续时间可以不同。出于说明的目的，图3A描绘了三个图像采集子帧(选通窗口2、8和20)。对于特定的选通窗口，VCSEL的“击发”(即，响应于发射器控制信号)和SPAD的充电(即，响应于选通信号)在每个图像采集子帧的预定数量的激光周期(例如，数百或数千个激光周期)内重复进行，以便为该选通窗口创建直方图(或在(CMM)/像素内平均实现方式中计算质心(CMM))。特别地，每个子帧可以收集相应选通窗口的数据，其中，每个选通窗口对应于基于激光脉冲315e之间的时间段的距离范围的相应子范围。
例如，示出的图像采集子帧2可以包括选通窗口302的250个周期(VCSEL击发和协调的SPAD激活)，其对应于200m距离范围的10m到17m的距离子范围。在不同的选通窗口(例如，其对应于53m-60m的距离子范围的选通窗口308)中，激光脉冲315e之间的延迟和SPAD的准备或激活之间的延迟是不同的，选通窗口的持续时间可能不同，和/或每个采集子帧的周期数量可能不同于一个或更多个其他选通窗口(例如，选通窗口308的延迟、持续时间和/或激光周期315e的数量可能不同于选通窗口302或320的延迟、持续时间和/或激光周期的数量)。
在本公开的实施例中，两个或更多个图像采集子帧的激光功率电平(即，激光脉冲315e的强度)也是不同的，例如，基于在子帧中收集数据的各个选通窗口的距离子范围。仍然参考图3A的示例，在选通窗口302、308和320的图像采集子帧中，从VCSEL输出的激光脉冲315e的相应功率电平对于选通窗口302(其对应于10m-17m的较近的子范围)较低，对于选通窗口308(其对应于53m-60m的中间子范围)处于中等功率电平，并且对于选通窗口320(对应于更远的子范围)较高。此外，由于选通窗口301到330是由探测器的操作定义(特别地，响应于施加到探测器的选通信号)而不是由施加到发射器的发射器控制信号(除了改变每个选通窗口的输出信号功率)定义，本公开的一些实施例可以在相同激光周期的不同选通窗口期间协调不同探测器像素的激活的定时，这可能是合乎需要的(例如，在阵列中分布可能与及时为SPAD充电相关的电流尖峰)。虽然本文一般参照两个或三个不同选通窗口的两个或三个不同的功率电平进行描述，但应当理解的是，本公开的实施例可以包括用于探测器操作的不同选通窗口的不同操作发射器的任何组合。
本公开的实施例可以因此提供功更节能的系统。特别地，使用上面参考图8讨论的相同的示例10fps和假设，也就是说，每个选通的激光周期＝250，VCSEL pw(脉冲宽度)＝10ns，峰值功率＝65kW，并且激光频率/Rep率＝750kHz，本公开的实施例可以利用功率缩放因数来操作基于探测器的选通操作窗口而不同的发射器。在图3A和图3B的示例中，选通1的功率缩放因数可以是总功率的1/900，并且选通30可以是总功率的900/900。因此，当在探测器元件的完整图像采集帧上平均时，发射器的总输出信号功率可以大大降低，探测器元件的完整图像采集帧可以包括相应子帧，每个子帧都为相应的选通窗口收集数据，选通窗口在发射器信号的数百个或数千个周期内重复。
本公开的实施例可以因此执行用于控制发射器以针对对应于更远距离子范围的选通窗口输出具有更高功率电平的光信号的操作。在一些实施例中，可以通过增大提供给发射器的峰值驱动电流来实现更高的功率电平，其中，峰值电流越大，光功率输出就越高。例如，可以操作发射器115e为对较近距离子范围成像的子帧提供较低功率发射，并可通过增加功率为对较远距离子范围成像的子帧提供较高功率发射。在一些实施例中，可以通过激活发射器的更高密度来实现更高的功率电平。例如，可以激活阵列中更多数量的发射器以提供最大光功率输出，或者可以激活阵列中每个其他的发射器以提供最大光功率输出的二分之一。在一些实施例中，通过基于发射器在阵列中的相对位置激活发射器的特定子集或区域，可以在视场的特定区域中实现不同的功率电平。例如，在与较远距离范围对应的选通窗口期间，可以停用或“关闭”面向外围的发射器，从而为此较远的距离范围提供具有较少功耗的较窄照明。本文描述的其他实施例可以包括组合用于控制发射器电流、发射器密度和/或发射器区域的此类操作。
特别地，本公开的进一步实施例涉及包括发射器阵列的LIDAR系统，发射器阵列被配置为提供中央凹照明，也就是说，被配置为在视场(FOV)上改变照明。此实施例可以基于这样的认识，即，在一些LIDAR应用中，并非FOV的所有部分可能需要相同的成像距离范围。
图4A示出了根据本公开的实施例的LIDAR发射器阵列115的示例性操作，以针对不同的选通窗口改变不同区域发射器的操作，以提供中央凹照明。在一些实施例中，发射器阵列115的发射器115e可以是VCSEL。如图4A所示，例如120°(水平)×30°(垂直)FOV(其可分为15°×15°FOV区域或区)，可以操作位于阵列中以输出照亮30°×30°中央区域的光信号的发射器的子集115c对200m距离范围进行成像，而可以操作位于阵列115外围区域的发射器的子集115p对100m距离范围进行成像。不同的距离范围可以基于由相应发射器115e(例如，从VCSEL输出的脉冲激光器)提供的光信号的功率和频率、被布置为照亮各个区域(例如，基于发射器阵列115中的相对位置)的发射器115e的相对位置/布置以及探测器的激活/停用的定时(例如，SPAD的选通窗口)。
图4B示出了根据本公开的一些实施例的LIDAR发射器阵列115的示例性操作，以在图像采集帧的时间内针对不同的选通窗口改变阵列的不同区域处发射器的操作密度。例如，在如以上示例中所讨论的包括30个不同选通窗口的实施例中，可以操作或激活布置在对应于外围FOV的发射器阵列的区域处的发射器的第一子集115p以仅针对覆盖或对应于选通窗口1到15的图像采集周期或子帧(例如，在较短的0m到100m距离范围内照亮相应距离子范围)发射光信号(例如，响应于各个发射器控制信号)，以便全帧的子集在较短的距离子范围处提供更宽的外围照明场401。可以操作或激活布置在发射器阵列115的中央区域的发射器的第二子集115c以发射对应于所有30个选通窗口的图像采集子帧的光信号(例如，在整个0m到200m距离范围内照亮所有相应距离子范围)，以在较长距离子范围提供窄的中央照明场402。
如此，在图4B的示例中，位于照明器/发射器阵列115的外围部分的发射器115p可以在大约一半的整帧采集周期(例如，作为中央部分的子帧的数量的一半)进行操作，这可以进一步降低功耗。如图4C所示，本文描述的中央凹照明的实施例还可以与上文参照图3描述的发射器输出功率步进操作并行或结合使用。
图4C示出了根据本公开的一些实施例的在图像采集帧的时间内针对不同的选通窗口改变阵列的不同区域的发射器的输出信号功率的示例。如图4C的曲线图所示，来自每个VCSEL 115e的峰值功率和/或激活的VCSEL 115e的密度可以被缩放，使得发射器阵列115(和/或其部分)的光功率输出针对相应的选通窗口/距离子范围而变化。例如，可以操作位于发射器阵列外围区域的发射器的子集115p以在第一功率电平或在第一功率电平范围415p(例如，从低功率(短程)到中等功率(中等范围))上发射光信号，而可以操作位于发射器阵列115的中央区域处的发射器的子集115c以在第二功率电平或在第二功率电平范围415c(例如，从低功率(短程)到高功率(远程))上发射光信号。此外，在其输出功率电平的相应范围内，当探测器被控制以测量对应于较远距离子范围的选通窗口时，可以控制发射器以提供更高的功率电平。也就是说，单个发射器115e可以基于其在发射器阵列115中的位置以相应功率电平范围和探测器阵列的相应选通操作窗口来操作。
例如，中央定位的发射器115c(其可以朝向自主车辆的预期行进方向)可以被配置为在输出功率电平415c的范围内输出光信号，该范围大于位于外围的发射器115p(其可以朝向预期行进方向的左侧或右侧)的输出功率电平415p的范围。因此可以操作发射器115c为对较近距离子范围成像的选通窗口或子帧提供较低的功率发射，并且通过增加功率为对较远距离子范围成像的选通窗口或子帧提供较高的功率发射。此外，如上所述，发射器115p的子集可以在特定的选通窗口(例如，对于对更远距离子范围进行成像的子帧)期间被停用(或以降低的功率电平操作)。如此，激活中央布置的发射器115c以针对对应于200m距离范围的所有选通窗口发射光，以及为对应于0m到100m的选通窗口提供较低的功率发射，并为对应于100m到200m的选通窗口提供较高的功率发射。
同样地，被配置为对FOV的中央区域成像的探测器阵列110的像素的第一子集可针对第一组选通窗口(例如，包括对应于较长的距离范围(从近距离到远距离)内的相应子范围的选通窗口)被操作，而被配置为对FOV的外围成像的探测器阵列的像素的第二子集可针对第二组选通窗口(例如，包括对应于较短的距离范围(从近距离到中等距离)内的相应子范围的选通窗口)被操作。此类探测器操作在2019年10月1日提交给美国专利商标局的题为“Strobe Based Configurable 3D Field of View LIDAR System(基于选通的可配置3D视场LIDAR系统)”的第62/908,801号美国临时专利申请中有更详细的描述，其公开通过引用整体并入本文。
附加地或可替代地，可以操作被布置为照亮较短距离范围的发射器阵列的部分或区域(例如，外围布置的发射器115p)以峰值功率的部分(图4C的示例中峰值功率的一半)发射光信号和/或与发射器阵列的被布置为照射较长距离范围的部分或区域(例如，中央布置的发射器115c)相比，以更高的频率(对应于更短的成像范围)发射光信号，并且用于布置为照亮较短距离范围的部分的选通窗口序列可以每帧重复多次(例如，选通窗口1到15的子帧和相关联的发射器操作可以在一帧中重复两次，以替代选通窗口11到30)。例如，外围布置的发射器115p可以由相应的驱动器电路控制以对应于0m到100m距离范围的较高频率发射光信号，而中央布置的发射器115c可以由相应的驱动器电路控制以在对应于0m到200m距离范围的较低频率发射光信号。作为另外的选择，对应于较短距离范围的每个选通窗口的持续时间可以更长(例如，选通窗口1到15的持续时间可以是两倍长)。
图5A是示出根据本公开的一些实施例提供依赖于选通窗口的发射器控制的示例性车辆lidar应用的图。图5B、图5C和图5D是示出可以用于在对应于不同的距离子范围的选通窗口期间实现图5A的照明的照明控制方案的示例的图。图5A到图5D示出了参考车辆lidar应用，但应当理解的是，本公开的实施例不限于此。
如图5A所示，在车辆lidar应用500中，提供照明模式515可能是有利的，该照明模式515在较窄的FOV 502中的一个方向中(例如，在行进方向上向前200m)成像更长/更远的距离，而在较宽的FOV 501中成像更短/更近的距离(例如，100m)。因此，在一些实施例中，FOV的不同部分可以被指定为具有不同的范围要求，并且可以相应地操作lidar发射器和/或探测器(例如，为对应于更远距离范围的选通窗口降低功率或关闭阵列的面向更宽的发射器)。
发射器阵列115可以由如图1所示的可寻址驱动器电路116驱动，其可以控制单个发射器115e的操作以执行操作，包括但不限于发射器阵列的部分或扇区或区域的激活(例如，激活发射器阵列115的中央扇区或全部扇区中的发射器)、发射器的激活密度的控制(例如，激活阵列115中的所有发射器以获得最大功率密度，或每隔一个发射器激活一半的功率密度)，和/或以一个或更多个光发射功率电平驱动到发射器的峰值电流的控制(例如，峰值电流越高，来自每个发射器的光发射功率就越高，直至翻转电流电平(其指的是光发射功率可能随着驱动电流的进一步增加而会降低而超过的点)。例如，由发射器阵列115发射的光信号的照明场和功率密度可以在每个选通窗口的基础上改变或变化，允许控制可用功率并将其重定向到感兴趣的区域以提高系统效率。
如图5B、图5C和图5D所示，发射器阵列115的发射器115e的子集可以针对特定的选通窗口(例如，用于对应于需要更窄视场的距离子范围的选通窗口)以不同的功率电平停用和/或操作，从而创建随选通窗口变化(例如，在501和502之间)的二维照明场。特别地，图5B示出了对应于更短(或“更近”)距离子范围的第一组选通窗口的操作发射器阵列115的示例。如图5B所示，布置在中央区域的发射器的子集115c和布置在阵列115的外围区域的发射器的子集115p均可以被操作以提供模式501，该模式501以较低的功率电平或密度照射相对宽的FOV(由相对较小的星爆图案示出)。例如，可以操作系统500的发射器阵列115以针对对应于200m成像距离范围的较近距离子范围(例如，0m到100m)的选通窗口发射具有较低功率输出的光。
图5C和图5D示出了对应于更长(或“更远”)距离子范围的第二组选通窗口的操作发射器阵列115的示例。如图5C所示，仅发射器的子集115c可以被操作以提供不同的模式502，该模式502以更高的功率电平或密度(由相对较大的星爆图案示出)照亮FOV的较窄的中央部分，例如，为与200m成像距离范围的更远距离子范围(例如，100m至200m)相对应的选通窗口提供更大的照明。发射器115p的另一子集(在阵列115的外围部分)未被激活或关闭(由“x”示出)。这可以提供比激活针对此较远距离子范围的阵列115的所有发射器更低的功耗，其中，较窄的FOV 502可能足以提供准确的成像。可替代地，如图5D所示，可以开启位于阵列115中央的发射器115c的子集以提供以较低功率电平或密度照亮FOV的较窄中央部分的模式(由相对较小的星爆图案示出)来进一步降低功耗，同时同样可以关闭位于外部或以其他方式未定位成照亮较窄FOV 502的发射器的子集115p。
如图5B至图5D所示，用于驱动照射该特定角度的发射器元件的峰值电流可以控制每单位角度的发射，可以通过仅使布置在发射器阵列115的子区域中的发射器元件的子集能够照射该特定角度来控制每单位角度的发射，或以通过两种方法的组合来控制每单位角度的发射。应当理解的是，在某些情况下，仅控制或改变驱动电流可能不足以实现足够的动态范围(例如，在30个选通窗口的情况下为1：900)，因为在足够小的电流下，VCSEL可能进入亚阈值区域。还将理解的是，仅激活发射器阵列115的部分或子集也可能无法实现所期望的动态范围(例如，如果每个发射器元件少于900个VCSEL)。因此，可以使用控制驱动电流和激活或启用发射器115e的子集的组合。
尽管在图4A-图4C和图5A-图5D中示出了参考发射器阵列115的控制以改变由中央定位的发射器子集115c和外围定位的发射器子集115p发射的光信号以提供特定的照明模式501和502，将理解的是，提供这些照明模式501、502用于说明而非限制的目的，并且可以不同地操作发射器阵列115的各个区域处的发射器子集以针对不同的选通窗口/距离子范围提供短程FOV和远程FOV的不同的且动态变化的组合。操作发射器的子集以降低一个或更多个方向的发射功率(或防止所有方向中的全功率发射)可以显着降低lidar系统的功耗。
如本文描述的中央凹照明还可以与空间分布的选通方案(例如，“区域照明”)组合。例如，可以控制发射器阵列115以在不同时间和/或以每簇或每区的不同功率电平选择性地发射每个发射器115e簇的光信号或发射器阵列115的每个区/区域的光信号，以提供空间变化的功率模式。也就是说，可以生成相应的控制信号以选择性地操作发射器元件115e的不同子集来发射具有不同时序的相应光信号(例如，对应于探测器元件的不同选通窗口)和/或发射具有不同功率电平的相应光信号。在一些实施例中，可以响应于空间分布的选通而操作探测器阵列110的探测器110d以匹配空间分布的发射器功率。此外，可以操作探测器阵列110的一些探测器110d或区域以探测短距离子范围/更近的选通窗口上的光子，可以操作其他的探测器110d或区域以同时探测长距离子范围/更远的选通窗口上的光子，这可能允许提高系统帧速率，尽管以分辨率为代价。
图6示出了示例性发射器阵列115，其具有在FOV上以“方格”照明模式控制的相应区域或发射器115e的子集，使得位于发射器阵列115的第一区域/位置处的发射器115ls的第一子集输出针对图像采集子帧的光信号，该图像采集子帧以较低的发射器功率收集更近的选通窗口(即，对应于更近的距离子范围的选通窗口)的数据，而位于发射器阵列115的第二区域/位置处的发射器115hl的第二子集输出针对图像采集子帧的光信号，该图像采集子帧以较高的发射器功率收集更远的选通窗口(即，对应于更远的距离子范围的选通窗口)的数据。例如，发射器阵列115可以包括被配置为在不同功率电平下操作的发射器，一些发射器115hl被优化或以其他方式配置为用于更高功率和更远距离操作，与其他被优化或以其他方式被配置为低功率更短距离操作的发射器115ls交错。
提供图6所示的照明模式，可以操作或激活发射器115ls的第一子集以针对较近的选通窗口以第一较低功率电平发射光信号(例如，以在较短的0m至100m距离范围内照亮相应的距离子范围)，并且对于更远的选通窗口，发射器115ls的第一子集可能被停用(或以较低的非零功率电平被操作)。相反地，可以操作或激活发射器115hl的第二子集以针对更远的选通窗口以更高的第二功率电平发射光信号(例如，照亮100m至200m距离范围内的相应距离子范围)，但对于更近的选通窗口，发射器115hl的第二子集可能会被停用(或在较低的非零功率电平下被操作)。然而，将理解的是，图6所示的空间分布以示例方式提供，并且根据本公开的实施例的发射器功率的空间分布不限于任何特定的配置或模式。
图9A-图9D是示出根据本公开的一些实施例的包括定位或填充在阵列中的具有变化的密度和相关照明控制方案的发射器的发射器阵列的示例的图。如图9A所示，发射器阵列915包括多个发射器115e，其被布置成提供中央凹发射器密度，与阵列915的外围区域915p相比，在中央区域915c处具有更大的发射器115e的密度。图9B、图9C和图9D示出了针对不同的选通窗口的图9A的发射器阵列915的发射器115e的子集的不同操作，有源发射器和相关的照明模式由变暗的星爆图案表示。
特别地，图9B示出了对应于较短或较近距离子范围(例如，200m成像距离范围的0m到67m)的第一选通窗口(或第一组选通窗口)的发射器阵列915的操作。如图9B所示，可以操作布置在阵列915的外围区域915p处的所有发射器115e连同布置在阵列915的中央区域915c处的发射器115e的第一子集以发射光信号来提供照亮相对宽FOV的第一发射模式，在一些实施例中具有相对较低的功率电平(与图9C和图9D相比)。图9C和图9D示出了对应于中档或中等距离子范围(例如，200m成像距离范围的67m至133m)的选通窗口的第二选通窗口/选通窗口组以及对应于更长或更远距离子范围(例如，200m成像距离范围中的133m到200m)的选通窗口的第三选通窗口/选通窗口组的发射器阵列915的操作。如图9C所示，可以操作阵列915的中央区域915c处的发射器115e的第二子集以发射光信号(其中布置在外围区域915p的发射器115e不激发)来提供不同的第二发射模式，其照亮FOV的较窄中央部分，在一些实施例中具有中等功率电平(与图9B和图9D相比)。如图9D所示，可以操作在阵列915的中央区域915c处的发射器115e的更小的第三子集以发射光信号来提供不同的第三发射模式，其照亮FOV的甚至更窄的部分，在一些实施例中具有相对更高的功率电平(与图9B和图9C相比)。
也就是说，阵列915的中央区域915c中更密集填充的发射器115e可以被配置为发射在更长距离的子范围的具有最高功率的光信号，并且阵列915可以具有朝向外围区域915p降低的发射器密度，以提供中央凹成像。对于较短距离的选通窗口，可以操作中央区域915c处的发射器115e的子集以与外围区域915p处的发射器115e一起提供更稀疏的照明模式来对宽视场成像。对于中档距离选通窗口，可以操作中央区域915c处的更多密集定位的发射器115e以提供更窄的视场，并且对于更长距离的选通窗口，当选通窗口前进到更远的子范围，可以操作中央区域915c处的密集定位的发射器115e的较小子集以提供更强烈的聚焦照明。
图10A-图10D是示出根据本公开的一些实施例的包括以均匀密度定位或填充在阵列中的发射器的发射器阵列的示例的图和相关的照明控制方案。如图10A所示，发射器阵列1015包括以基本均匀分布布置在阵列1015的中央区域1015c和外围区域1015p中的多个发射器115e。图10B、图10C和图10D示出了图10A的发射器阵列1015的发射器115e的子集的不同操作，来为不同的选通窗口提供中央凹照明，其中有源发射器和相关的照明模式由阴影或变暗的星爆图案示出。
特别地，图10B示出了对应于较短或较近距离子范围(例如，200m成像距离范围的0m到67m)的第一选通窗口/选通窗口组的发射器阵列1015的操作。如图10B所示，可以操作阵列1015的大部分或所有发射器115e以发射具有相对较低的功率电平的光信号(与图10C和图10D相比)来提供照射相对宽FOV的第一发射模式。图10C和图10D示出了对应于中档或中等距离子范围(例如，200m成像距离范围的67m到133m)第二选通窗口/选通窗口组以及对应于更长或更远距离子范围(例如，200m成像距离范围中的133m到200m)的第三选通窗口/选通窗口组的发射器阵列1015的操作。如图10C所示，可以操作阵列1015的中央区域1015c处的发射器115e的子集以发射具有中等功率电平的光信号(与图10B和图10D相比)(在外围区域1015p布置的发射器115e不激活的情况下)来提供照亮FOV的较窄的中央部分的不同的第二发射模式。如图10D所示，操作阵列1015的中央区域1015c处的发射器115e的更小的子集以发射具有相对较高功率电平的光信号(与图10B和图10C相比)来提供照亮FOV的更窄部分的不同的第三发射模式。
应当理解的是，被配置为根据本文描述的示例操作的发射器和/或探测器基于由一个或更多个相关联的控制电路产生的相应控制信号(例如发射器控制信号和探测器选通信号)进行操作，相关联的控制电路例如为定序器电路，其可以协调发射器阵列和探测器阵列的操作。也就是说，相应的控制信号可以被配置为协调地控制发射器阵列的单个发射器元件和/或探测器阵列的单个探测器元件的时间和/或空间操作以提供如本文描述的功能。
本公开的实施例与用于基于探测阈值改变读出的数量或速率的操作结合使用，如在2020年1月3日提交的题为“High Dynamic Range Direct Time of Flight Sensor withSignal-Dependent Effective Readout Rate(具有信号相关有效读出率的高动态范围直接飞行时间传感器)”的第16/733,463号美国专利申请中所描述的，其公开通过引用并入本文。例如，发射器信号的功率电平可响应于基于发射器信号的较少周期(指示更近和/或反射性更强的目标)的一个或更多个读出而降低，发射器信号的功率电平可以响应于基于发射器信号的更多周期(指示更远和/或反射性更差的目标)的一个或更多个读出而增加。
本文描述的lidar系统和阵列可以应用于ADAS(高级驾驶员辅助系统)、自动驾驶车辆、UAV(无人机)、工业自动化、机器人、生物识别、建模、增强和虚拟现实、3D绘图和安全。在一些实施例中，发射器阵列的发射器元件可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一些实施例中，发射器阵列可以包括具有数千个串联和/或并联电连接的离散发射器元件的非本征基板，驱动器电路由集成在与发射器阵列的相应行和/或列相邻的非本征基板上的驱动器晶体管实现。例如，如Burroughs等人2018年4月12日提交的题为“Ultra-SmallVertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)and Arrays Incorporating theSame(超小型垂直腔面发射激光器(VCSEL)和包含该激光器的阵列)”的第2018/0301872号美国专利申请和题为“Devices with Ultra-Small Vertical Cavity Surface EmittingLaser Emitters Incorporating Beam Steering(具有结合光束转向的超小型垂直腔面发射激光发射器的设备)”的第2018/0301875号美国专利申请中所描述，其公开以引用方式并入本文。
本文已经参考示出示例性实施例的附图描述了各种实施例。然而这些实施例可以以不同的形式体现并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反地，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且将本发明构思充分传达给本领域技术人员。对示例性实施例以及本文描述的一般原理和特征的各种修改将是显而易见的。在附图中，层和区域的尺寸和相对尺寸未按比例示出，并且在某些情况下为了清楚可能被夸大。
优选实施例主要根据在特定实现中提供的特定方法和设备进行描述。然而，这些方法和设备可以在其他实施方式中有效地运行。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另外的实施例”之类的短语可以指相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有某些组件的系统和/或设备来描述实施例。然而，系统和/或设备可以包括比所示更少或更多的部件，并且可以在不脱离本发明构思的范围的情况下改变部件的布置和类型。
还将在具有某些步骤或操作的特定方法的上下文中描述示例性实施例。然而，这些方法和设备可以有效地用于具有不同和/或附加步骤/操作以及与示例性实施例不一致的不同顺序的步骤/操作的其他方法。因此，本发明构思不旨在限于所示实施例，而是符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。
应当理解的是，当一个元件被称为或示出为“在”、“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接在另一个元件上、连接或耦接到另一个元件，或者可能存在中间元件。相反地，当一个元件被称为“直接在”、“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在中间元件。
还将理解的是，虽然术语第一、第二等在本文中可用于描述各种元件，但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个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
此外，如图所示，本文可以使用诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”之类的相关术语来描述一个元件与另一个元件的关系。应当理解的是，除了图中所示的方向之外，相对术语旨在包括设备的不同取向。例如，如果其中一个图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件的“下”侧的元件将被定向在其他元件的“上”侧。因此示例性术语“下”可以包括“下部”和“上部”两种取向，这取决于图的特定取向。类似地，如果其中一个图中的设备被翻转，则被描述为“在”其他元件“下方”或“在下方”的元件将定向在其他元件“上方”。因此，示例性术语“下方”或“在下方”可以包括上方和下方的取向。
本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如在本发明的描述和所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
还应理解的是，本文所用的术语“和/或”指的是并且涵盖一个或更多个相关的所列项目的任意和所有可能的组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或更多个其他的特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
本文参考作为本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图的图示来描述本发明的实施例。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差而导致的图示形状的变化。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在说明设备区域的实际形状并且不旨在限制本发明的范围。
除非另有定义，用于公开本发明的实施例的所有术语，包括技术和科学术语，具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义，并且不一定限于在描述本发明时已知的特定的定义。因此，这些术语可以包括在此时间之后创建的等效的术语。将进一步理解的是，术语，例如在常用词典中定义的那些，应被解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不会以理想化或过于正式的含义解释，除非本文明确定义。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献均通过引用整体并入。
本文已经结合以上描述和附图公开了许多不同的实施例。应当理解的是，逐字地描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将是过度重复和混淆的。因此，包括附图在内的本说明书应被解释为构成对本文描述的实施例的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完整的书面描述，并应支持权利要求的任何此类组合或子组合。
虽然本文已经参考各种实施例描述了本发明，但应当理解的是，在本发明的原理的范围和精神内可以进行进一步的变化和修改。尽管使用了特定术语，但它们仅用于一般性和描述性意义，并非用于限制目的，本发明的范围在以下权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种光探测和测距(LIDAR)系统，包括：
一个或更多个发射器元件，所述一个或更多个发射器元件用于响应于相应的发射器控制信号而发射光信号；
一个或更多个探测器元件，所述一个或更多个探测器元件用于探测针对相应选通操作窗口的入射光子，其中，所述相应选通操作窗口位于所述光信号的脉冲之间并且处于相对于所述脉冲不同的相应延迟处；以及
至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为生成所述相应的发射器控制信号以基于所述一个或更多个探测器元件的所述相应选通操作窗口不同地操作所述一个或更多个发射器元件。
2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述相应的发射器控制信号操作所述一个或更多个发射器元件针对所述相应选通窗口的第一选通窗口以第一功率电平发射所述光信号，并针对所述相应选通窗口的第二选通窗口以第二功率电平发射所述光信号。
3.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中，所述第一选通窗口对应于基于所述光信号的脉冲之间的时间的距离范围的比所述第二选通窗口更近的子范围，并且其中，所述第二功率电平大于所述第一功率电平。
4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述一个或更多个发射器元件包括发射器元件的第一子集和第二子集，并且其中，所述相应的发射器控制信号操作所述第一子集以针对所述相应选通窗口的第一选通窗口发射所述光信号，并且操作所述第二子集以针对所述相应选通窗口的第二选通窗口发射所述光信号。
5.根据权利要求4所述的LIDAR系统，其中，所述第一子集和所述第二子集位于发射器阵列的不同区域和/或包括所述发射器元件的不同密度。
6.根据权利要求5所述的LIDAR系统，其中，所述相应的发射器控制信号操作所述第一子集以针对所述第一选通窗口发射具有第一功率电平的所述光信号，并且操作所述第二子集以针对所述第二选通窗口发射具有第二功率电平的所述光信号，其中，所述第二功率电平大于所述第一功率电平。
7.根据权利要求6所述的LIDAR系统，其中，所述第一选通窗口对应于基于所述光信号的脉冲之间的时间的距离范围的比所述第二选通窗口更近的子范围，并且其中，所述第二子集包括的所述发射器元件比所述第一子集少。
8.根据权利要求7所述的LIDAR系统，其中，所述第一子集包括位于所述发射器阵列的外围区域的发射器元件，并且其中，所述第二子集包括位于所述发射器阵列的中央区域的发射器元件。
9.一种光探测和测距(LIDAR)系统，包括：
至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为输出相应的发射器控制信号以操作一个或更多个发射器元件针对一个或更多个探测器元件的第一选通操作窗口以第一功率电平发射第一光信号，并针对所述一个或更多个探测器元件的第二选通操作窗口以不同于所述第一功率电平的第二功率电平发射第二光信号，
其中，所述第一选通窗口和所述第二选通窗口对应于基于所述第一光信号或所述第二光信号的脉冲之间的时间的距离范围的相应子范围。
10.根据权利要求9所述的LIDAR系统，其中，所述第一选通窗口对应于所述相应子范围的比所述第二选通窗口更近的子范围，并且其中，所述第二功率电平大于所述第一功率电平。
11.根据权利要求10所述的LIDAR系统，其中，所述一个或更多个发射器元件包括发射器元件的第一子集和第二子集，并且其中，所述相应的发射器控制信号操作所述第一子集以针对所述第一选通窗口以所述第一功率电平发射所述第一光信号，并且操作所述第二子集以针对所述第二选通窗口以所述第二功率电平发射所述第二光信号。
12.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中，所述第一子集和所述第二子集位于所述发射器阵列的不同区域和/或包括所述发射器元件的不同密度。
13.根据权利要求11所述的LIDAR系统，其中，所述第二子集包括的所述发射器元件比所述第一子集少。
14.一种光探测和测距(LIDAR)系统，包括：
至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为输出相应的发射器控制信号以操作发射器阵列的发射器元件的第一子集以针对一个或更多个探测器元件的第一选通操作窗口发射第一光信号，并且操作不同于所述第一子集的发射器元件的第二子集以针对所述一个或更多个探测器元件的第二选通操作窗口发射第二光信号，
其中，所述第一选通窗口和所述第二选通窗口对应于基于所述第一光信号或所述第二光信号的脉冲之间的时间的距离范围的相应子范围。
15.根据权利要求14所述的LIDAR系统，其中，所述第一子集包括位于所述发射器阵列的第一区域的发射器元件，并且其中，所述第二子集包括位于所述发射器阵列的不同于所述第一区域的第二区域的发射器元件。
16.根据权利要求15所述的LIDAR系统，其中，所述第一区域包括外围区域，并且其中，所述第二区域包括中央区域。
17.根据权利要求14至16的任一项所述的LIDAR系统，其中，所述相应的发射器控制信号被配置为操作所述发射器元件的所述第一子集以第一功率电平发射所述第一光信号，并且操作所述发射器元件的所述第二子集以第二功率电平发射所述第二光信号。
18.根据权利要求17所述的LIDAR系统，其中，所述第一选通窗口对应于相应子范围的比所述第二选通窗口更近的子范围，并且其中，所述第二功率电平大于所述第一功率电平。
19.根据权利要求18所述的LIDAR系统，其中，所述第二子集包括的所述发射器元件比所述第一子集少。
20.根据权利要求1至16的任一项所述的LIDAR系统，其中，所述LIDAR系统被配置为耦接到自动驾驶车辆，使得所述一个或更多个发射器元件和所述一个或更多个探测器元件相对于所述自动驾驶车辆的预期行进方向定向。
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