CN113848540A - 一种面阵色散光谱感光组件、接收端以及激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵色散光谱感光组件，包括：沿入射光路依次设置的面阵光阑、准直器件、滤光片、色散器件以及面阵探测器；其中，所述面阵光阑接收来自外部的多通道信号光光束以及环境光光束后由所述准直器件准直成多通道平行光束，所述滤光片对所述平行光束进行过滤仅使得以信号光中心波长为中心的窄带波长光束通过，所述色散器件对入射的所述窄带波长光束按波长沿一个方向进行色散，使得不同波长的光入射到所述面阵探测器表面的不同位置。通过色散的方式实现对信号光波长的筛选，从而提升了信噪比与测量精度。

Description

一种面阵色散光谱感光组件、接收端以及激光雷达系统

技术领域

本发明涉及光学传感器以及激光雷达技术领域，尤其涉及一种面阵色散光谱感光组件、接收端以及激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种主动型的三维测量技术，其通过激光发射端向空间发射激光束，再通过接收端接收被物体反射回的激光束后，通过对所接收的光信号进行处理以得到激光束在空间中的飞行时间，根据距离与光子飞行时间和光速的关系，可以计算得到目标的距离和方位信息。环境光干扰是目前激光雷达系统普遍面临的难题，即当激光雷达在户外强光下工作时，往往会受到太阳环境光的干扰，导致测量距离和测量精度出现一定程度的下降。

为了解决环境光干扰问题，现有方案中往往会选择太阳光谱辐照度比较低的近红外激光发射器，再通过在接收端配合该波段附近的窄带滤光片做进一步的环境光滤除。然而考虑到工程化中的实际问题，如激光发射器中心波长的制造公差、滤光片中心透过波长的制造公差、激光发射器中心波长随温度的漂移等，实际采用的滤光片光谱透过率半高全宽远大于激光器波长的半高全宽，因而对环境光过滤的效果十分有限，导致信噪比和测量精度较低。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面阵色散光谱感光组件、接收端以及激光雷达系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种面阵色散光谱感光组件，包括：沿入射光路依次设置的面阵光阑、准直器件、滤光片、色散器件以及面阵探测器；其中，所述面阵光阑接收来自外部的多通道信号光光束以及环境光光束后由所述准直器件准直成多通道平行光束；所述滤光片对所述平行光束进行过滤仅使得以信号光中心波长为中心的窄带波长光束通过；所述色散器件对入射的所述窄带波长光束按波长沿一个方向进行色散，使得不同波长的光入射到所述面阵探测器表面的不同位置。

在一些实施例中，所述面阵光阑包括面阵排列的多个孔或多条缝，所述孔或缝用于接收与之对应的通道内的光束。

在一些实施例中，所述面阵探测器包括面阵排列的多个像素，所述像素为SPAD。

在一些实施例中，所述色散器件包括至少一个色散元件，所述色散元件包括棱镜、光栅、色散全息图、面阵波导色散元件中的一种或多种的组合；所述准直器件包括至少一个透镜、微透镜阵列、反射镜、面阵波导传输元件中的一种或多种的组合。

在一些实施例中，所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括色散元件以及第二微透镜阵列；所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列均包括与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应的多个微透镜。

在一些实施例中，所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括沿光路依次设置的第二微透镜阵列、第一透镜、色散元件以及第二透镜；所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列均包括与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应的多个微透镜。

在一些实施例中，所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括面阵波导色散元件；所述第一微透镜阵列中的多个微透镜以及所述面阵波导色散元件中的多个波导色散元件与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应。

在一些实施例中，所述准直器件包括第一透镜，所述色散器件包括色散元件以及第二透镜。

在一些实施例中，所述准直器件包括面阵波导传输元件，所述色散器件包括色散元件以及第三微透镜阵列；所述面阵波导传输元件中的多个波导传输元件以及所述第三微透镜阵列中的多个微透镜与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应。

本发明实施例另一技术方案为：

一种面阵色散光谱激光雷达接收端，包括：接收光学组件，用于接收至少部分被目标反射回的信号光光束以及部分环境光光束并入射到如前述任一实施例技术方案所述的面阵色散光谱感光组件中，所述面阵色散光谱感光组件对入射光束进行色散以不同波长在空间上进行区分。

本发明实施例又一技术方案为：

一种面阵色散光谱激光雷达系统，其特征在于，包括：

发射端，经配置以发射信号光光束；

如前述实施例方案所述的面阵色散光谱激光雷达接收端；

控制与处理器用于控制所述面阵色散光谱激光雷达接收端中的面阵色散光谱感光组件以筛选出与所述信号光光束波长一致的入射光束信号，并基于所述入射光束信号计算光子的飞行时间。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明针对激光雷达中环境光干扰的问题，提出了一种基于色散的光谱激光雷达系统，能够更为高效的降低环境光的影响，提升激光雷达的探测距离和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的色散光谱激光雷达组成示意图；

图2是根据本发明一个实施例的机械扫描式色散光谱激光雷达系统示意图；

图3是根据本发明一个实施例的非机械扫描式色散光谱激光雷达系统示意图；

图4是根据本发明一个实施例的色散光谱激光雷达接收端的组成示意图；

图5a是根据本发明一个实施例的波导传输元件示意图；

图5b是根据本发明一个实施例的波导色散元件示意图；

图6是根据本发明一个实施例的含有面阵色散光谱感光组件的激光雷达系统接收端示意图；

图7是根据本发明一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图；

图8是根据本发明另一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图；

图9是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图；

图10是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图；

图11是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1所示为本发明一个实施例色散光谱激光雷达系统的示意图。系统10包括发射端12、接收端15以及控制与处理器11；其中，发射端12包括光源13以及发射光学组件14；接收端15包括色散光谱感光组件16以及接收光学组件17。发射端12通过光源13发射出特定波长范围的激光光束(也称：信号光光束)，比如960nm、1550nm附近波长的激光光束，该激光光束组由发射光学组件14调制后向目标空间发射；接收端15中的接收光学组件17用于收集由目标空间中的物体反射回的至少部分激光光束以及来自环境光中的其他光束，并入射到色散光谱感光组件16中，色散光谱感光组件16将所接收到的光束进行色散以将入射的光束按不同波长在空间上进行区分；不同波长的光束落入的空间位置不相同，控制与处理器11控制色散光谱感光组件16并筛选出仅与发射端12所发射信号光束中心波长一致的入射光束信号(具体为以发射信号光束中心波长为中心的极小区间范围内的窄带波长光束信号，理论上这一区间范围应包含大部分信号光光束以及极少数环境光光束)，并基于该入射光束信号计算光子的飞行时间，进一步地根据该飞行时间以计算出目标的距离D，即：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速，t为飞行时间。

优选地，色散光谱感光组件16包括色散器件以及感光探测器，其中色散器件对入射的光束进行色散，并按波长以不同的角度出射，使得不同波长的光束入射到感光探测器的不同空间位置上，从而便于后续的筛选。色散光谱感光组件16具体的实施例将在后面进行详细介绍。

通过色散光谱感光组件的色散功能使得入射光束按波长在空间上区分，从而筛选出信号光，与仅通过滤光片进行滤光相比，色散可以非常精确的定位出信号光，所筛选出的窄带光束的带宽相比于滤光片的带宽更小，同时可以滤除绝大部分的环境光噪声，由此大幅提升激光雷达系统的精度和信噪比。

根据不同激光雷达的功能、性能等要求，系统可以被设计成不同的样式。比如对于远距离激光雷达，发射端12将发射出高功率的激光光束，该激光光束被预先调制成斑点、线条等形状，整个激光光束所覆盖的视场角也相对较小；而对于近距离激光雷达，发射端12则可以被配置以发射出具有一定视场角的小功率激光光束，激光光束可以呈泛光、斑点、线条等形状。同样的，接收端15也进行特别的设计以与发射端相对应。后面将详细介绍几种具体的实施例。

在一个实施例中，发射端12用于向空间发射单束激光光束18，该激光光束18具有一定的截面形状20，比如圆形斑点状、椭圆状、线状等。相应地，接收端15中的接收光束组件17用于将一定视场角19内的光束收集，通过一定的设计将接收端15的视场角19设计为正好与激光光束18对应，这样接收端就可以收集来自目标空间中的物体反射的激光光束，从而进一步计算出飞行时间。一般地，视场角19大于激光光束18的发散角。为了便于描述，本发明实施例中将一个激光光束以及与该激光光束对应的接收端视场角称为一个通道，发射端的发射通道与接收端的接收通道一一对应，从而实现对目标物体的距离测量。通道可以是点通道、线通道、编码通道等等任意形式的通道。

图1中仅示意性的画出单个通道，在其他实施例中，系统10可以通过对单通道或者多通道的扫描以实现更大视场角的距离测量。比如在一个实施例中，发射光学组件14和/或接收光学组件17中通过设置光束扫描器件如MEMS振镜、机械转镜等来实现对光束的扫描，从而实现多通道测量，当然，也可以外加一个额外的光束扫描组件来实现。在一个实施例中，发射端12可以同时发射出多通道激光光束，与之对应的，接收端15也具有与发射端12的发射通道一一对应的多个接收通道，如此可以同时实现目标的多通道(例如点阵、线阵等)扫描。

在一些实施例中，发射端12与接收端15被设置成共轴形式，比如可以通过增加具备反射及透射功能的半透半反镜、反射镜中间开孔的透射反射镜等光学元件来实现，共轴形式可以确保发射通道与接收通道的一一对应。在一些实施例中，发射端12与接收端15被设置成离轴形式，与共轴相比，离轴对硬件的要求较低，便于组装，缺点则是需要考虑到视差的问题，当目标在不同距离时，发射通道与接收通道之间会因为视差导致存在偏差，可以理解的是，当测量距离远远大于发射端与接收端之间基线距离的前提下，也可以忽略视差的问题，而当测量距离较近时，可以通过标定、光斑定位等方式来解决视差问题。

在一些实施例中，发射端与接收端被安装在同一个基底上以便于系统实现小型化、一体化，比如可以在同一个半导体基底上通过半导体工艺同时制造出激光光源以及感光芯片，随后在该半导体基底上进一步安装光学器件、电子元器件等来形成发射端以及接收端。

在一些实施例中，色散光谱激光雷达被配置成机械扫描形式的激光雷达系统，如图2所示，该机械扫描形式的激光雷达系统包括发射端201、接收端202、以及用于放置发射端和接收端的旋转平台203，旋转平台203可以在控制与处理器11的控制下通过旋转组件以沿某一方向204实现旋转，从而实现大角度视场角(如360度)的扫描。

在一些实施例中，色散光谱激光雷达被配置成非机械扫描形式的激光雷达系统，如图3所示，该非机械扫描形式的激光雷达系统的发射端12与接收端15被配置成拥有共同的视场31，一般地，发射端12用于向外发射多个通道的激光光束以实现对共同视场角内的目标进行照明，接收端15则用于采集来自共同视场角内反射回的激光光束。

基于上述各实施例所阐述的色散光谱激光雷达系统，本发明实施例还提供一种基于上述各色散光谱激光雷达进行测量的方法，方法包括下述几个步骤：

首先，发射信号光光束；

其次，接收至少部分被目标反射回的信号光光束以及部分环境光光束；

再次，对接收到的入射光束进行色散以将不同波长光束在空间上进行区分；

最后，筛选出与所述信号光光束波长一致的所述入射光束信号，并基于所述入射光束信号计算光子的飞行时间。

以上步骤具体采用图1-图3所示实施例中的色散光谱激光雷达系统来实现，详细的方法步骤可参考图1～图3所示实施例中的描述，在此不再赘述。

图4是根据本发明一个实施例的色散光谱激光雷达接收端的组成示意图。接收端包括色散光谱感光组件41以及接收光学组件42；其中，接收光学组件42由至少一个透镜或者透镜阵列组成，用于接收由目标空间中的物体46反射回的部分激光光束(信号光)以及来自环境中的其他环境光光束，本实施例中将以发射端发射出条形激光光束为例进行说明，可以理解的是，本发明并不限于条形光束，物体46将反射条状光束47(包含信号光以及环境光)并被接收光学组42收集并入射到色散光谱感光组件41中。

色散光谱感光组件41包括沿入射光路依次设置的光阑415、准直器件414、滤光片413、色散器件412以及阵列探测器411；物体46反射回的光束47经过接收光学组件42后汇聚到光阑415平面；光阑限制了接收光学组件42的视场角，只有在该视场角内被接收的反射光束才能通过光阑并进一步入射到准直器件414；准直器件414将透过光阑的反射光束准直为平行光束，该平行光束随后入射到滤光片413上；滤光片413为带通滤光片，以用于对入射光束进行过滤，仅允许以信号光中心波长为中心、一定带宽范围内的窄带波长光束透过；一般地，滤光片413的通带波长被设置为以信号光中心波长为中心、透过率半高全宽通常为几十纳米(仅作为示例)，但由于信号光的半高全宽相比于滤光片的带宽要窄得多，因此大部分信号光以及环境光中与信号光中心波长附近几十纳米的环境光将会通过滤光片。

滤光片413出射的窄带波长光束入射至色散器件412，色散器件412将入射的窄带波长光束按波长沿一个方向进行色散，使得不同波长的光照射到阵列探测器411表面的不同位置，比如在阵列探测器411表面形成沿波长排列的多个光束43、44、45。由此，阵列探测器411的部分像素(比如44)只被信号光以及与信号光相同波长的环境光所照射，而与信号光不同波长的环境光将不再与信号光在空间上重叠，比如43、45，后续可以由控制与处理器仅读出信号光波段阵列探测器411上对应像素中的信号，并基于该读出光信号计算光子的飞行时间，进一步地可以根据该飞行时间以计算出目标的距离。通过色散在空间上区分，可以进一步过滤掉来自滤光片窄带波长光束中的环境光，通过对色散器件的合理设计以及阵列探测器的设计，理论上可以实现仅筛选出信号光带宽范围内的光束，因而相比只有滤光片的滤光效果，可以进一步大幅降低来自环境光的噪声，最终实现了对环境光的抑制效果，提升测量精度和信噪比。

光阑415一般被设置在接收光学组件42的焦平面上，并且光阑415上至少包括一个孔或一条缝，所设置的孔或缝的排列形式、数量决定色散光谱感光组件41的视场角、分辨率等光学性能；一般地，根据激光雷达系统的整体性能需要将光阑设置成合理的形式，比如对于单通道激光雷达而言，如果发射端发射出的是线光束，则光阑可以仅包含单个线状孔，即单缝光阑；若发射端发射出的是点状光束，则光阑可以仅包括单个圆孔，即单孔光阑。对于发射端发射出的是面状光束时，光阑可以包括阵列排列的多个缝或者多个孔，即多缝光阑或者多孔光阑，由此可以同步接收阵列光信号以获取阵列的深度测量信息，在后面将进行详细描述。

光阑通光孔或狭缝的位置在光阑所在平面内可以是固定的，也可以是可动的，当光阑通光孔或狭缝的位置可动时，通光孔或狭缝位置的移动量由控制与处理器控制。可动光阑包括但不限于由MEMS机构、液晶器件等来实现。在一个实施例中，光阑通光孔或狭缝的开启与关断也可由控制与处理器控制。对于多孔或者多缝光阑而言，光阑上的孔或者缝根据需要可以被设置成一维排列或者二维排列形式，比如规则二维阵列、不规则二维阵列等形式。

在一些实施例中，阵列探测器411是一种多个像素组成的阵列型光学接收器件，典型的有APD(雪崩二极管)阵列和SPAD(单光子雪崩二极管)阵列。阵列探测器能够测得信号光从目标反射回阵列探测器的飞行时间。阵列探测器上的像素包含与色散方向一致的方向上的至少一列像素。

在一些实施例中，准直器件可由至少一个透镜、微透镜阵列、反射镜(包含平面反射镜、曲面反射镜、反射棱镜等各类型反射镜)、波导传输元件中的一个或多个组合构成。

针对波导传输元件，可参考图5a所示，图5a是根据本发明一个实施例的波导传输元件示意图，波导传输元件由入射耦合器51、波导52以及出射耦合器53组成，用于对入射的光束在三维空间中进行传输，并在适合的位置以一定的方向向外发射，波导传输元件可以使得准直器件的功能更加广泛，比如可以根据需要控制出射准直光束的空间位置以及发射方向，这将在后面加以说明。波导传输元件中的波导52可以是光纤。波导能够在三维空间中的弯曲路径传输光束。入射耦合器51、出射耦合器53以及波导52可以是独立非片上器件、也可以是片上光路实现，也可以是片上器件和分立非片上器件的组合。

在一些实施例中，滤光片413可以被放置在光路中的其他位置，比如可以放置在光阑415外侧(包括放置在接收光学组件42和目标物体46之间、或放置在光阑415与接收光学组件42之间)、或光阑415与准直器件414之间、或准直器件414与色散器件412之间、或色散器件412与阵列探测器411之间；优选地，将滤光片413放置在准直器件414和色散器件412之间。

色散器件412包括至少一个色散元件，比如棱镜、光栅、色散全息图中的一种或多种的组合，其可以对入射的光束按不同的波长形成不同出射角的出射光束，从而实现对光束的色散效果。其中，色散全息图是一种同时具备色散功能和汇聚功能(或发散功能)的全息器件。在一些实施例中，色散器件412除色散元件外，还包含透镜、透镜组、微透镜阵列、反射镜中的一种或多种的组合。

在一些实施例中，色散元件还可以是波导色散元件，如图5b所示。波导色散元件包括入射耦合器54、分束器56、合束器57、出射耦合器58以及波导55。波导色散元件的入射光经入射耦合器54耦合进入单根波导55中，该波导的另一端连接至分束器56。分束器56将其入射光按等强度或非等强度、等相位地分配到连接在分束器56与合束器57之间的多根波导中，为方便描述，以N根波导进行说明，这N根波导的长度以一个固定的增量递增。N的数量需要根据波导色散元件的色散分辨力进行设计。通常N取值越大，波导色散元件的色散分辨力越高。由于这N根波导长度递增，这N根波导的出射光之间存在恒定的相位差；但由于波导对不同波长光波的有效折射率不同，不同波长的光波经过这N根波导后形成的相位差不同。因此，不同波长的光在合束器57中相长干涉的位置不同。在合束器中、选择信号光中心波长的光波相长干涉的位置，采用波导将该位置与出射耦合器58连接，即可实现将信号光以及与信号光波长相近的环境光(即与信号光中心波长一致的光束)从合束器57中引出。

在一些实施例中，波导色散元件中的波导55可以是光纤。波导能够在三维空间中的弯曲路径传输光束。分束器56、入射耦合器54、合束器57、出射耦合器58以及波导55可以是独立非片上器件、也可以是片上光路实现，也可以是片上器件和分立非片上器件的组合。

上述实施例中以可实现单通道测量的色散光谱感光组件为例进行了阐述，然而在其他一些应用中，往往需要激光雷达系统同步实现多通道测量以获取大视场角/更高分辨率的测量，后面实施例中将提供可实现多通道测量的含有面阵色散光谱感光组件的面阵色散光谱激光雷达。上述色散光谱感光组件的内容同样适用于下述各实施例中描述的面阵色散光谱感光组件。

图6是根据本发明一个实施例的含有面阵色散光谱感光组件的激光雷达系统接收端的示意图，接收端包括面阵色散光谱感光组件61以及接收光学组件62，其中，接收光学组件62由至少一个透镜或者透镜阵列组成，用于收集由目标空间中物体反射回的部分激光光束(信号光)以及来自环境中的其他环境光光束，比如来自视场中不同视场区域(不同通道)的反射光束631、632以及633，反射光束被接收光学组62收集并入射到面阵色散光谱感光组件61中。面阵色散光谱感光组件61包括沿入射光路依次设置的面阵光阑615、准直器件614、滤光片613、色散器件612以及面阵探测器611。

面阵光阑615上设置有面阵排列的多个孔或缝，每个孔或缝用来接收与之对应的接收光学组件62相应入射视场角内的光束，比如图6中示意性给出3个孔或缝分别用于接收来自三个不方向的入射光束631、632以及633，为了方便示意，这里仅以三个通道为例进行说明，但不能理解为仅限于三个通道。面阵光阑615上的孔或缝的数量以及排列形式决定了整个感光组件61的视场角以及成像分辨率。经过面阵光阑615的各个光束进一步入射到准直器件614；准直器件614将透过光阑的光束准直为多通道平行光束，该平行光束随后入射到滤光片613上；滤光片613为带通滤光片，用于对入射光束进行过滤，仅允许以信号光中心波长为中心、一定带宽范围内的窄带波长光束透过。滤光片613出射的窄带波长光束入射至色散器件612，色散器件612将入射的窄带波长光束按波长沿至少一个方向进行色散，使得不同波长的光照射到面阵探测器611表面的不同位置，比如在面阵探测器611表面形成沿波长排列的多个光束a、b、c(仅以三个光束为例进行说明，实际可以是更多个光束)。面阵探测器611包含二维面阵排列的多个像素616(比如APD、SPAD等像素)，一般地，像素的总数量要大于面阵光阑上孔或缝的总数量，优选地会将面阵探测器611上分别为每个孔或缝分别设置相应的像素组，各个像素组在空间上独立用于分别接收来自各自对应光阑孔或缝传输来的光束。由于色散的作用，不同波长的光束a、b、c将入射到像素组中的不同位置，若b光束的波长与信号光波长一致，则用于接收b光束的像素所产生的信号将在后续被控制与处理器读出，并基于该读出光信号计算光子的飞行时间，进一步地可以根据该飞行时间以计算出目标的距离。由于过滤掉其他波段的环境光，因而大幅降低来自环境光的噪声，最终实现了对环境光的抑制效果，提升测量精度。

在一些实施例中，准直器件614可由至少一个透镜、微透镜阵列、反射镜(包含平面反射镜、曲面反射镜、反射棱镜等各类型反射镜)、面阵波导传输元件中的一种或多种组合构成。

在一些实施例中，色散器件612包括色散元件，其中色散元件可以是棱镜、光栅、色散全息图中的一种或多种的组合。色散器件612还可以包括汇聚透镜，其可以由至少一个透镜、微透镜阵列、反射镜中的一个或多个组合构成。

在一些实施例中，色散器件612还可以是面阵波导色散元件，由多个如图5a、图5b所示的波导色散元件排列组成，面阵波导色散元件中的各个波导色散元件分别与光阑上的孔或缝一一对应，分别用于接收来自对应孔或缝传输来的光束。

针对面阵色散光谱激光雷达，为了让激光雷达系统达到更好的性能，需要对准直器件以及色散器件进行整体考虑以设计出相应的面阵色散光谱激光雷达接收端，以下将根据本发明主要思想提出几种接收端实施例。

图7是根据本发明一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。接收端包括面阵色散光谱感光组件71以及接收光学组件72；其中，接收光学组件72由至少一个透镜或者透镜阵列组成，用于收集由目标空间中物体反射回的部分激光光束(信号光)以及来自环境中的其他环境光光束，比如来自视场中不同视场区域(不同通道)的反射光束731、732以及733，反射光束被接收光学组72收集并入射到面阵色散光谱感光组件71中。色散光谱感光组件71包括面阵光阑715、第一微透镜阵列714、滤光片713、色散器件712以及面阵探测器711。

面阵光阑715上设置有按面阵排列的多个孔或缝，每个孔或缝用来接收与之对应的接收光学组件72相应入射视场角(通道)内的光束。经过面阵光阑715的各个光束进一步入射到第一微透镜阵列714；第一微透镜阵列714中每个微透镜与面阵光阑715中的孔或缝一一对应，分别将透过光阑的光束准直为平行光束，该平行光束随后入射到滤光片713上；滤光片713使得以信号光中心波长为中心、一定带宽范围内的窄带波长光束透过，透过的窄带波长光束随后入射至色散器件712上。色散器件712包括色散元件717以及第二微透镜阵列716，色散元件717可以是棱镜、光栅、色散全息图中的一种或多种的组合，用于将入射的窄带波长光束按波长沿至少一个方向进行色散；第二微透镜阵列716中每个微透镜与第一微透镜阵列714中的每个微透镜或者面阵光阑715中的孔或缝一一对应，用于将来自色散元件717的光束进行汇聚/聚焦以入射到面阵探测器711上对应的像素上。由于色散元件717的色散作用，将使得来自同一个光阑中的光束按照波长不同以入射到不同的像素上，从而使得其在空间上的分离，最终接收与信号光波长一致的光束的像素信号后续被控制与处理器读出。

图8是根据本发明另一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。接收端包括面阵色散光谱感光组件81以及接收光学组件82；其中，接收光学组件82由至少一个透镜或者透镜阵列组成，用于收集由目标空间中物体反射回的部分激光光束(信号光)以及来自环境中的其他环境光光束，比如来自视场中不同视场区域(不同通道)的反射光束，为了方便示意，本实施例中仅以通道831为例进行说明，反射光束被接收光学组82收集并入射到面阵色散光谱感光组件81中。色散光谱感光组件81包括面阵光阑815、第一微透镜阵列814、滤光片813、色散器件812以及面阵探测器811。

与图7所示实施例不同的是，图8所示实施例中的色散器件812包括沿光路依次设置的第二微透镜阵列819、第一透镜818、色散元件817以及第二透镜816。其中，第二微透镜阵列819中每个微透镜与第一微透镜阵列814中的每个微透镜或者面阵光阑815中的孔或缝一一对应，用于接收并汇聚来自第一微透镜阵列814准直后的准直光束；第一透镜818接收来自第二微透镜阵列819汇聚后的光束并进行准直并扩束，经扩束的平行光束随后入射到色散元件817上，经色散后入射到第二透镜816，第二透镜816用于将色散后的光束汇聚或聚焦以入射到面阵探测器811上对应的像素上。由于色散元件817的色散作用，不同波长的光束入射到第二透镜816的方向不同，使得来自同一个光阑中的光束按照波长不同以入射到不同的像素上，从而使得其在空间上的分离，最终接收与信号光波长一致的光束的像素信号后续被控制与处理器读出。其中，第一透镜818与第二透镜816可以是单片透镜也可以是多片透镜组成的透镜组。

图9是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。接收端包括面阵色散光谱感光组件91以及接收光学组件92。其中，接收光学组件92由至少一个透镜或者透镜阵列组成，用于收集由目标空间中物体反射回的部分激光光束(信号光)以及来自环境中的其他环境光光束，比如来自视场中不同视场区域(不同通道)的反射光束931、932以及933，反射光束被接收光学组92收集并入射到面阵色散光谱感光组件91中。色散光谱感光组件91包括面阵光阑915、第一微透镜阵列914、滤光片913、色散器件912以及面阵探测器911。

与图7、图8所示实施例不同的是，图9实施例中的色散器件912包括由多个波导色散元件916组成的面阵波导色散元件912，其中各个波导色散元件916分别用于接收来自对应光阑孔或缝的光束，并选择性地输出与信号光中心波长一致的光束入射到面阵探测器911的对应像素上。一般地，面阵波导色散元件912上各个波导色散元件916与第一微透镜阵列914上的各个微透镜或者与光阑915上的各个孔或缝一一对应，包含数量和/或排列方式的一一对应。

在图7～图9所示实施例中，准直器件均采取的是微透镜阵列，实际上也可以采用其它器件，比如透镜(透镜组)、波导传输元件等。下面将分别示例性地介绍两种具体实施例。

参照图10所示，图10是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。接收端包括面阵色散光谱感光组件101以及接收光学组件102。其中，色散光谱感光组件101包括面阵光阑1015、第一透镜1014、滤光片1013、色散器件1012以及面阵探测器1011。

面阵光阑1015上设置有面阵排列的多个孔或缝，每个孔或缝用来接收与之对应的接收光学组件102相应入射视场角内的光束。经过面阵光阑1015的各个光束进一步入射到第一透镜1014，第一透镜1014将透过光阑的光束准直为平行光束，该平行光束随后入射到滤光片1013上；滤光片1013使得以信号光中心波长为中心、一定带宽范围内的窄带波长光束透过，透过的窄带波长光束随后入射至色散器件1012上。色散器件1012包括色散元件1017以及第二透镜1016，色散元件1017用于将入射的窄带波长光束按波长沿至少一个方向进行色散；第二透镜1016与第一透镜1014配合，将入射来的平行光束进行汇聚/聚焦以入射到面阵探测器1011上对应的像素上。由于色散元件1017的色散作用，将使得来自同一个光阑中的光束按照波长不同以入射到不同的像素上，从而使得其在空间上的分离，最终接收与信号光波长一致的光束的像素信号后续被控制与处理器读出。其中，第一透镜1014与第二透镜1016可以是单片透镜也可以是多片透镜组成的透镜组。

参照图11所示，图11是根据本发明又一实施例的面阵色散光谱激光雷达接收端的示意图。接收端包括面阵色散光谱感光组件111以及接收光学组件112；其中，色散光谱感光组件111包括面阵光阑1115、准直器件1114、滤光片1113、色散器件1112以及面阵探测器1111。

面阵光阑1115上设置有面阵排列的多个孔或缝，每个孔或缝用来接收与之对应的接收光学组件112相应入射视场角内的光束。经过面阵光阑1115的各个光束进一步入射到准直器件1114上，准直器件1114包括由多个波导传输元件117所组成的面阵波导传输元件，其中各个波导传输元件117分别用于接收来自对应光阑孔或缝的光束，并将光束经传输并准直后出射。一般地，面阵波导传输元件上各个波导传输元件117与光阑1115上的各个孔或缝一一对应，所述一一对应包含数量和/或排列方式的一一对应。在一个实施例中，准直器件1114还包括设置在各个波导传输元件入射耦合器和/或出射耦合器端的透镜，比如第一微透镜阵列116和/或第二微透镜阵列118，微透镜阵列中各个微透镜与各个波导传输元件一一对应。

经准直器件1114准直后的平行光束随后入射到滤光片1113上；滤光片1113使得以信号光中心波长为中心、一定带宽范围内的窄带波长光束透过，透过的窄带波长光束随后入射至色散器件1112上。色散器件1112包括色散元件115以及第三微透镜阵列114，色散元件115用于将入射的窄带波长光束按波长沿至少一个方向进行色散；第三微透镜阵列114中每个微透镜与面阵波导传输元件中各个波导传输元件117和/或光阑1115上的各个孔或缝一一对应，用于将来自色散元件115的光束进行汇聚/聚焦以入射到面阵探测器1111上对应的像素上。

在图9所述实施例中，色散光谱感光组件中色散元件中采用了面阵波导色散元件，在图11所述的实施例中准直器件采用了面阵波导传输元件，由于波导能够在三维空间中的弯曲路径传输光束，因此面阵波导色散(传输)元件中的多个出射耦合器可以在空间中进行重新排列或者方向调整，可以相对于多个入射耦合器的空间排列进行重新排列以实现系统所需要的出射光束的排列和/或方向，比如出于对面阵探测器上像素的排布需要，为了更均匀地将各个光阑孔径中的光束引入到对应的像素上，可以对出射耦合器的排列方式和/或方向进行重新调整以实现光阑孔径与探测器像素之间映射关系的灵活配置。

可以理解的是，色散光谱感光组件中可以使用与准直器件相同功能的任意器件来代替准直器件，同样地也可以使用与色散元件相同功能的任意器件来代替色散元件，并且准直器件与色散元件的组合方式并不限于上述实施例中的几种，任意基于本发明思想、且可实现类似功能的组合都属于本发明的保护范围之类。

后面将对色散光谱激光雷达发射端进行描述，参照图1，发射端12包含光源13以及发射光学组件14，用于向空间中发射至少一个通道的激光光束(信号光光束)，针对不同的应用需要，发射端可以被配置成不同的形式。

在一些实施例中，发射端用于发射斑点光束，所发射的斑点光束可以是单点光斑或多点光斑，为获得测量视场范围内高空间分辨率的点云数据，在一个实施例中还可以在发射光学组件14中增加扫描元件；此外，发射光学组件14中还包括光束整形元件，比如透镜、反射镜等等，用于将光源发射的发散光束整形成单点或多点光斑并照射到目标上。可以理解的是，当发射端只发射一个点光斑时，对应的接收端中的光阑只需要一个通光孔，且该通光孔位于接收系统的光轴上；当反射端发射多个点光斑时，光阑则具有多个通光孔，且每个通光孔与发射的每个点光斑构成一一对应关系。对于多点光斑，可以沿一条线排列，也可以沿x方向和y方向二维排列。

在一些实施例中，发射端用于发射单线光斑或多线光斑，同样为获得测量视场范围内高空间分辨率的点云数据，在一个实施例中还可以在发射光学组件14中增加扫描元件。此外发射光学组件14中还包括光束整形元件，比如透镜、反射镜等等，用于将光源发射的发散光束整形成单线或多线光斑并照射到目标上。一般地，线光斑在一个方向上光束发散角较小，比如0.05°～0.15°，而在另一方向上发散角达到几十度的光斑。当发射的光斑是多线光斑时，各线相互平行。

在点光斑以及线光斑实施例中，发射端光源可以是单点边发射激光器、单点垂直腔面激光发射器(VCSEL)、多个边发射激光器构成的发射激光器阵列、VCSEL阵列、以及分区可控的VCSEL等。光束整形装置由透镜、微透镜阵列、Metasurface器件、分光棱镜、反射镜的一种或多种的组合构成。扫描元件可由MEMS微镜、旋转棱镜、旋转棱镜对、机械振镜、OPA扫描器件等构成。

在一些实施例中，发射端可以不通过扫描元件直接发射出多点光斑，发射端包括由多个子光源所组成的面阵光源以及发射光学组件，子光源发射出的发散光束被发射光学组件中的光束整形元件整形成点光斑或者线光斑以向空间中发射，处理与控制器可以通过对面阵光源中的多个子源进行分区点亮，在对应区域的子光源被点亮时仅选通接收端探测器上对应的像素，以实现沿至少一个方向的扫描测量。光源可以是多个可以逐次点亮的边发射激光器、多个可以逐次点亮的VCSEL激光器、可以分区点亮的VCSEL面阵激光器等。

可以理解的是，当将本发明的系统中位置或硬件作出相应的结构或部件变化或者进行简单替换以适应需求，其本质仍然采用本发明的色散光谱激光雷达，所以应当视为本发明的保护范围。

可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (11)

1.一种面阵色散光谱感光组件，其特征在于，包括：

沿入射光路依次设置的面阵光阑、准直器件、滤光片、色散器件以及面阵探测器；

其中，所述面阵光阑接收来自外部的多通道信号光光束以及环境光光束后由所述准直器件准直成多通道平行光束；所述滤光片对所述平行光束进行过滤仅使得以信号光中心波长为中心的窄带波长光束通过；所述色散器件对入射的所述窄带波长光束按波长沿一个方向进行色散，使得不同波长的光入射到所述面阵探测器表面的不同位置。

2.如权利要求1所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：所述面阵光阑包括面阵排列的多个孔或多条缝，所述孔或缝用于接收与之对应的通道内的光束。

3.如权利要求1所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：所述面阵探测器包括面阵排列的多个像素，所述像素为SPAD。

4.如权利要求1～3任一项所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：

所述色散器件包括至少一个色散元件，所述色散元件包括棱镜、光栅、色散全息图、面阵波导色散元件中的一种或多种的组合；

所述准直器件包括至少一个透镜、微透镜阵列、反射镜、面阵波导传输元件中的一种或多种的组合。

5.如权利要求4所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：

所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括色散元件以及第二微透镜阵列；

所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列均包括与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应的多个微透镜。

6.如权利要求4所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：

所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括沿光路依次设置的第二微透镜阵列、第一透镜、色散元件以及第二透镜；

所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列均包括与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应的多个微透镜。

7.如权利要求4所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：

所述准直器件包括第一微透镜阵列，所述色散器件包括面阵波导色散元件；

所述第一微透镜阵列中的多个微透镜以及所述面阵波导色散元件中的多个波导色散元件与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应。

8.如权利要求4所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：所述准直器件包括第一透镜，所述色散器件包括色散元件以及第二透镜。

9.如权利要求4所述的面阵色散光谱感光组件，其特征在于：

所述准直器件包括面阵波导传输元件，所述色散器件包括色散元件以及第三微透镜阵列；

所述面阵波导传输元件中的多个波导传输元件以及所述第三微透镜阵列中的多个微透镜与所述面阵光阑中每个孔或每条缝一一对应。

10.一种面阵色散光谱激光雷达接收端，其特征在于，包括：

接收光学组件，用于接收至少部分被目标反射回的信号光光束以及部分环境光光束并入射到如权利要求1～9任一项所述的面阵色散光谱感光组件中，所述面阵色散光谱感光组件对入射光束进行色散以不同波长在空间上进行区分。

11.一种面阵色散光谱激光雷达系统，其特征在于，包括：

发射端，经配置以发射信号光光束；

如权利要求10所述的面阵色散光谱激光雷达接收端；

控制与处理器用于控制所述面阵色散光谱激光雷达接收端中的面阵色散光谱感光组件以筛选出与所述信号光光束波长一致的入射光束信号，并基于所述入射光束信号计算光子的飞行时间。

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