CN114174869A - 高分辨率固态lidar发射器 - Google Patents

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Abstract

一种固态LIDAR发射器包括激光器阵列，该激光器阵列包括第一和第二激光器像素，每个激光器像素生成第一和第二子孔径光束。第一微透镜聚焦由第一激光器像素产生的第一和第二子孔径光束，并聚焦由第二激光器像素产生的第一和第二子孔径光束。第二微透镜引导由第一像素产生的第一和第二子孔径光束，使得它们在平面上重叠。透镜在远场中以不同的角度投射由第一激光器像素生成的第一子孔径光束和由第二激光器像素生成的第一子孔径光束，以便实现LIDAR系统的期望空间分辨率。

Description

高分辨率固态LIDAR发射器
本文所用的章节标题仅用于组织目的，并且不应被解释为以任何方式限制本申请中所述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是在2019年7月31日提交的标题为“High-Resolution Solid-State LIDARTransmitter”的美国临时专利申请号62/881,354的非临时申请。美国临时专利申请62/881,354的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
自主、自驾和半自主汽车使用不同传感器和技术的组合，例如雷达、图像识别相机和声纳，来检测和定位周围物体。这些传感器能够在驾驶员安全性方面有许多改进，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)系统扮演关键角色，从而实现周围环境的实时、高分辨率3D映射。
现今，用于自主车辆的大多数商业上可获得的LIDAR系统利用少量的激光器，结合一些机械扫描环境的方法。非常希望未来的自主汽车利用基于固态半导体的LIDAR系统，该系统支持快速扫描速率和易于结合高可靠性和宽的环境操作范围。
附图说明
根据优选和示例性实施例，本教导连同其进一步的优点一起在以下结合附图的详细描述中被更具体地描述。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图不一定是按比例的，相反，重点通常放在说明本教导的原理上。附图不是要以任何方式限制申请人的教导的范围。
图1是示出在车辆中实现的本教导的高分辨率LIDAR系统的实施例的操作的示意图。
图2A示出了可以在本教导的高分辨率LIDAR系统中使用的二维垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列。
图2B示出了图2A的二维VCSEL阵列的子孔径阵列。
图3A示出了用于从使用两个传统体透镜的激光器阵列投影光束的发射光学系统。
图3B示出了图3A所示的发射光学系统的一部分的放大图。
图3C示出了由用于从图3A的激光器阵列投射光束的发射光学系统产生的远场图案。
图4A示出了用于从使用一个微透镜阵列和一个体透镜的激光器阵列投射光束的发射光学系统。
图4B示出了图4A所示的发射光学系统的一部分的放大图。
图4C示出了由用于从图4A的激光器阵列投射光束的发射光学系统产生的远场图案。
图5A示出了用于从本教导的使用两个微透镜阵列和体透镜的激光器阵列投射光束的发射光学系统的实施例。
图5B示出了图5A所示的发射光学系统的一部分的放大图。
图5C示出了由用于从图5A所示的激光器阵列投射光束的发射光学系统产生的远场图案的实施例。
图6示出了与本教导的VCSEL阵列对准的双侧微透镜阵列的实施例的截面图。
图7A示出了本教导的双侧微透镜阵列的实施例的一侧的透视图。
图7B说明展示图7A的双侧微透镜阵列的实施例的另一侧的透视图。
图8示出了包括本教导的多个发射光学系统的高分辨率LIDAR发射系统的实施例。
图9A示出了使用用于从使用两个传统体透镜的激光器阵列投射光束的系统的单个LIDAR发射器的远场模式。
图9B示出了使用用于从使用一个微透镜阵列和一个常规体透镜的激光器阵列投射光束的系统的多个交织LIDAR发射器的远场图案。
图9C示出了使用发射光学系统的实施例的多个交织LIDAR发射器的远场图案，该发射光学系统从使用本教导的两个微透镜阵列和一个传统体透镜的激光器阵列投射光束。
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来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，但是本教导并不旨在被局限于这些实施例。相反，本教导涵盖各种替代、修改和等效物，如本领域技术人员将理解的。获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到在本文所述的本公开的范围内的另外的实施例、修改和实施例以及其他使用领域。
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。在说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指同一实施例。
应当理解，本教导的方法的各个步骤可以以任何顺序和/或同时执行，只要本教导保持是可操作的。此外，应当理解，本教导的装置和方法可以包括任何数量或所有的所描述的实施例，只要本教导保持是可操作的。
本教导涉及光检测和测距(LIDAR)，其是一种使用激光来测量到物体的距离(范围)的遥感方法。LIDAR系统测量到反射和/或散射光的各种物体或目标的距离。自主车辆利用LIDAR系统以高分辨率生成周围环境的高精度三维(3D)地图。本文描述的系统和方法针对提供具有高可靠性水平的固态、脉冲飞行时间(TOF)LIDAR系统，同时还维持长测量范围以及相对低的成本。特别地，根据本教导的LIDAR系统发出短持续时间激光脉冲，并且使用对接收到的返回信号轨迹形式的返回脉冲的直接检测来测量到物体的TOF。
此外，本教导的LIDAR系统能够使用多个激光脉冲来检测具有各种性能度量的物体。例如，可以使用多个激光脉冲来提高SNR。多个激光脉冲也可以用于在特定物体的检测中提供更大的置信度。例如，可以选择特定数量的激光脉冲以给出特定水平的SNR和/或与物体的检测相关联的特定置信度值。这种对激光脉冲的数目的选择可以与对与FOV中的特定照明图案相关联的单个激光设备或激光设备组的选择相结合。
本教导的LIDAR系统的一个特征是发射器可以发射不同波长的光。因此，阵列中的各种发射器可产生具有与其它发射器不同的波长的光。例如，在一列或一行中的发射器可以发射一个波长，并且在交替的列或行中的发射器可以发射不同的波长。可以例如使用具有不同波长的发射激光的各种波长模式，以提供期望的分辨率，在操作的眼睛安全限制内的长距离操作，和/或增加系统的数据速率。例如，参见题为“Multi-Wavelength LIDARSystem”的美国专利公开号20170307736A1以及题为“Eye-Safe Scanning LIDAR System”的美国专利公开号20180259623A1，这两个专利都转让给本受让人。美国专利公开20170307736A1和20180259623A1在此引入作为参考。
图1是示出在车辆中实施的本教导的LIDAR系统100的操作的示意图。LIDAR系统100包括在本文中更详细地描述的发射光学系统，其朝向目标场景投射由发射光学系统中的激光器阵列产生的光束102。LIDAR系统还包括接收器103，其接收从目标场景中的被示出为人106的物体反射的光104。LIDAR系统通常还包括控制器，其根据反射光计算关于物体(人106)的距离信息。
在一些实施例中，还存在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)的静态图案或动态图案。来自物体(人106)的反射光的一部分由接收器103接收。在一些实施例中，接收器包括接收光学器件和检测器元件，该检测器元件可以是检测器阵列。接收器和控制器用于将所接收的信号光转换成表示落入LIDAR系统范围和FOV内的周围环境的逐点3D地图的测量结果。
根据本教导的LIDAR系统的一些实施例使用包括激光器阵列的激光发射器。在一些实施例中，激光器阵列包括VCSEL激光发射器，其可以包括顶部发射VCSEL、底部发射VCSEL和/或各种类型的高功率VCSEL。VCSEL阵列可以是单片的。激光发射器可以全部共享公共衬底，包括半导体衬底或陶瓷衬底。单个受控的激光发射器可以包括多个子孔径，当激光发射器被激励时，每个子孔径发射光束。
在一些实施例中，在使用一个或多个发射器阵列的实施例中，可以单独地控制各个激光器和/或激光器组的激励。发射器阵列中的每个单独发射器可以独立地发射，由每个激光发射器发射的光束对应于仅对着整个系统视场的一部分的三维投影角。这种LIDAR系统的一个示例在美国专利公开No.2017/0307736A1中有所描述，该专利已转让给本受让人。另外，由每个激光器或激光器组发射的脉冲的数目可基于LIDAR系统的期望性能目标来控制。还可以控制该序列的持续时间和定时。例如，参见题为“Distributed Modular Solid-State LIDAR System”的美国临时专利申请No.62/714,463，该专利申请转让给本受让人，并通过引用结合到本文中。还可参见题为“Eye-Safe Long-Range Solid-State LIDARSystem”的美国临时专利申请No.62/859,349和题为“自适应多脉冲LIDAR系统”的美国临时专利申请No.62/866,119，它们也都转让给本受让人，在此引入作为参考。
本教导的LIDAR系统的另一特征在于，其可为高分辨率LIDAR系统提供紧凑、可靠的发射光学组件。本教导的发射光学组件利用固态激光器阵列，在一些实施例中，该固态激光器阵列被制造在相同的衬底上。衬底可以是半导体衬底。电驱动电路也被制造在这些阵列基板上，其允许阵列中的每个激光器被单独地控制。这些阵列可以是使用规则行和列配置的二维阵列。电控制驱动方案可以被配置成所谓的矩阵配置，其中通过将电控制信号适当地施加到包含该单独激光器的特定列和特定行来寻址单独激光器。例如，参见题为“Solid-State LIDAR Transmitter with Laser Control”的美国专利申请No.16/841,930，该专利申请转让给本受让人，并通过引用结合在此。
图2A示出了可以在本教导的高分辨率LIDAR系统中使用的二维垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列200。激光器阵列200包括16×16的单个激光器像素202的阵列，其中每个像素202包括3×3的子孔径204的阵列。在一些实施例中，通过将正确的电控制信号施加到对应于阵列中的像素202的行和列，可个别地寻址每一像素202。因此，独立地激励各个像素202，并且一个像素202内的所有子孔径204与像素202的激励一起被激励。因此，为每个被激励像素提供九个光束。
阵列200具有x方向上的像素间距206和y方向上的像素间距208。在一些实施例中，x方向的像素间距206等于y方向的像素间距208。例如，在一个特定实施例中，x方向的像素间距为250μm，y方向的像素间距为250μm。阵列200中的元件数量在各种实施例中变化的。在各种实施例中，阵列像素间距可采取各种值。应当理解，虽然本文提供的许多示例描述了特定大小的阵列，但本教导不限于任何特定的阵列大小。本教导的一个特征是固态的、微制造的组件可以简单地、成本有效地按比例缩放到大尺寸，并且具有高可靠性。
图2B示出了图2A的二维VCSEL阵列200的子孔径阵列250。示出了单个像素202。每个像素202具有配置成3×3阵列的九个子孔径204。每个像素202具有x方向的子孔径间距252和y方向的子孔径间距254。与单个像素202相关的子孔径204响应于适当的电控制信号而同时被全部激励。这样，单个像素202内的所有子孔径204同时照明。因此，在将电控制信号施加到像素202时，产生多个光束，从像素中的每一孔径产生一个光束。在一些实施例中，x方向的子孔径间距252等于y方向的子孔径间距254。例如，在一个具体实施例中，x方向的子孔径间距是76μm，y方向的子孔径间距是76μm。在各个实施例中，单个像素的子阵列中的孔径的数量是变化的。在各种实施例中，阵列子孔径间距可以采用各种值。
图3A示出了用于从使用两个传统的体透镜304、306的激光器阵列302投射光束的发射光学系统300。激光器阵列302可以与例如结合图2A-图2B描述的激光器阵列200相同或相似。
图3B是图3A中所示的发射光学系统300的一部分的放大图。激光器阵列302在一维中示出，并且包括单独的像素308、310。仅示出两个像素，像素1 308和像素2 310。像素308、310各自具有子孔径阵列。此外，以一维方式示出了像素1 308的子孔径A 312、B 314和C316以及像素2 310的子孔径A 318、B 320和C 322。来自每个子孔径312、314、316、318、320、322的光束326被发射并发散，如放大图324中所示。每个光束的发散角与相应子孔径的尺寸有关。
参照图3A和图3B，单独的发散光束326穿过距离阵列302一定距离的具有焦距F1的体透镜304，以及距离第一体透镜304一定距离的具有焦距F2的第二体透镜306。透镜304、306的位置和它们的焦距F1、F2确定发射光学系统300的投影的远场图案。对于该光学系统，两个体透镜304、306被配置成在远场中名义上生成激光器阵列302的图像。因此，激光阵列图案在远场中被重建，基于透镜配置被放大到期望的尺寸，并且来自各个像素的子孔径在空间中被分离。每个像素的角视场(FOV)与像素之间的角间距近似相同。
图3C示出了由发射光学系统300产生的远场图案350，用于投射来自图3A的激光器阵列的光束。针对两个垂直相邻的像素示出了在50米范围处的远场光斑，其中每个像素包括3×3子孔径阵列。该示例的远场图案350在与光学系统300相距50米的距离处产生。图案350包括每个像素区域354、356的九个单独的光斑352。各个像素区域354、356在50米的范围处间隔0.9米的距离。该像素光斑尺寸与像素间距之比为～0.9。
图3A-图3C仅示出例如16×16激光器阵列的一部分，每个激光器具有九个子孔径。对于完整的16×16阵列，图案将呈现为(16×3)×(16×3)个光斑，或48×48个光斑。
通过使用放置在激光发射器附近的小透镜来名义上准直和/或聚焦每个光束，可以减小远场中来自发射器的光斑尺寸。图4A示出了用于从使用一个微透镜阵列404和一个体透镜406的激光器阵列402投影光束的发射光学系统400。
图4B是图4A中所示的发射光学系统400的一部分的放大图。参考图4A和图4B，在该发射光学系统400中，微透镜阵列404具有等于阵列402中的像素(像素1 408和像素2 410)的间距。微透镜阵列404准直像素的每一子孔径，像素1 408的子孔径A 412、B 414和C 416以及像素2 410的子孔径A 418、B 420和C 422。微透镜阵列404包括多个小透镜424、426，它们以与激光器阵列402的像素间距相同的间距间隔开。
每个小透镜424、426准直从相应像素408、410发射的光束。来自每个子孔径412、414、416、418、420、422的准直光束在位于距微透镜阵列404中的小透镜424、426一个焦距处的平面Z1 428处重叠。体透镜406具有焦距F2，并且位于离平面Z1 428的距离F2处。体透镜406将光束从每个像素沿标称平行路径投射到远场。
图4C示出了由发射光学系统400产生的远场图案450，发射光学系统400用于投射来自图4A的激光器阵列402的光束。对于两个垂直相邻的像素示出了在50米范围处的远场光斑，其中每个像素包括3×3子孔径阵列。远场图案450导致两个大的光斑452、454，它们在50米范围处以0.9米的距离456分开。在大光斑454中，来自单个像素408的所有九个子孔径的光束重叠。该像素光斑尺寸与像素间距之比为～0.5。
注意，图4A仅示出像素1 408的三个子孔径412、414、416，因为其为侧视图，但以二维说明远场图案450，且因此展示由像素1 408的所有九个子孔径提供的光斑。这对于像素2410和相关光斑452也是类似的。该发射光学系统的像素光斑尺寸与像素间距之比为～0.5。
使用图4A-图4C中所示的发射光学系统400的LIDAR系统已经提高了分辨率，因为与不使用微透镜进行准直的系统相比，其已经减小了光斑尺寸。然而，本教导的特征是认识到使用两个图案化的背对背微透镜阵列可提供对LIDAR系统分辨率的进一步改进。
图5A示出了本教导的用于从使用两个微透镜阵列504、506和体透镜508的激光器阵列502投射光束的发射光学系统500的实施例。
图5B是图5A中所示的发射光学系统500的一部分的放大图。参考图5A和图5B，一个微透镜阵列504具有以等于激光器阵列502中的像素(像素1 516和像素2 518以及像素3520)的间距隔开的小透镜510、512、514。另一微透镜阵列506具有以等于激光器阵列502的子孔径540、542、544、546、548、550、552、554、556的间距间隔开的小透镜522、524、526、528、530、532、534、536、538。因此，微透镜506包括每个子孔径一个小透镜，并且微透镜504包括每个像素一个小透镜。微透镜阵列506作用于在每个子孔径540、542、544、546、548、550、552、554、556中生成的每个光束，使得每个子孔径光束被聚焦而不改变那些光束的传播轴。微透镜504将来自每个子孔径540、542、544、546、548、550、552、554、556的光束重定向，使得它们在小透镜510、512、514的后焦平面Z1 558处重叠。因此，来自每个子孔径540、542、544、546、548、550、552、554、556的光束通过微透镜阵列506和微透镜阵列504的组合动作聚焦在后焦平面Z1 558处的重叠平面处。体透镜508被定位在与平面Z1 558的距离等于透镜508的焦距F2的位置。微透镜阵列504、506的组合在平面Z1 558上产生了具有与激光器阵列502相同间距的光斑阵列的中间实像。体透镜508将每个光斑从Z1 558投影到远场中的不同角度。从体透镜508的特定投影角是相应阵列光斑与系统主光轴的垂直距离的函数。
本教导的一个特征是使用两个背对背的微透镜阵列504、506，其用于聚焦来自每个子孔径的光束，并且引导这些光束在第二透镜504的后焦平面处重叠。如从放大视图562中的比例尺560清楚可见，这两个微透镜阵列504、506设计非常紧凑，且名义上聚焦的重叠光束出现在距激光器阵列502小于2mm的距离处。在一些实施例中，微透镜阵列504、506被制造在同一衬底的前表面和后表面上。这有利地提供了易于组装的非常紧凑的系统。在一些实施例中，微透镜阵列504、506被制造在单独的衬底上。在一些实施例中，微透镜阵列504、506中的一个或两个可以是折射光学元件。在一些实施例中，微透镜阵列504、506中的一个或两个可以是衍射光学元件。在一些实施例中，微透镜阵列504、506中的一个或两个可以是全息光学元件。
图5C示出了由发射光学系统500生成的远场图案580的实施例，用于从图5A的激光器阵列502投射光束。对于两个垂直相邻的像素示出了在50米范围处的远场光斑，其中每个像素包括3×3子孔径阵列。注意，图5A的系统图示出了2维阵列的侧视图，但是图5C示出了在垂直于主轴的平面中的二维图案。为了清楚起见，仅示出了系统的一部分。远场图案580导致两个小的光斑582、584，它们在50米的范围处以0.9米的距离586分开。仅示出了两个像素516、518的光斑582、584。在像素之间存在1.06度，导致在50米范围处的0.9米的分离距离586。该像素光斑尺寸与像素间距之比为～0.1。最终分辨率由一个像素的光斑尺寸相对于相邻像素的光斑之间的光斑分离来确定。因此，本教导的发射光学系统有利地提供在远场中的小得多的像素光斑尺寸与像素间距的比率。这提高了系统分辨率，并且还允许多个发射光学系统的有效且可缩放的交织，这为数据收集提供了许多益处，包括支持高数据收集速率以及照明模式和时序的灵活性。
图6示出了本教导的与VCSEL阵列604对准的双侧微透镜阵列602的实施例的截面图600。VCSEL包括五个像素606、608、610、612、614。每个像素606、608、610、612、614包括九个子孔径。例如，在像素的截面图600中可以看到三个子孔径616、618、620。像素以间距622布置成阵列。五个像素小透镜624、626、628、630、632形成在基板636的第一表面634上。像素小透镜624、626、628、630、632以间距638布置成阵列，并且与VCSEL阵列604中的像素606、608、610、612、614的阵列匹配。在衬底636的第二表面638上形成的是子孔径小透镜640，其以与VCSEL阵列604的子孔径的间距相匹配的间距642设置。此微透镜阵列602配置可被称为双侧微透镜。在一个特定实施例中，像素间距为250μm，子孔径间距为76μm。在一些实施例中，激光器阵列602和微透镜阵列604是一维的。此外，在一些实施例中，微透镜阵列602、604是二维的。在各种实施例中，微透镜阵列602、604包含不同数量的像素、子孔径、像素小透镜和/或子孔径小透镜。在一些实施例中，像素间距622不是子孔径间距642的整数倍。在一些实施例中，子孔径间距642不延伸跨过像素的边界。
在一些实施例中，微透镜阵列602的子孔径小透镜640侧被定位成最靠近VCSEL阵列604。像素小透镜表面634被定位为离VCSEL阵列602最远，其中每个小透镜624、626、628、630、632在像素正上方居中。例如，在图6中具体示出了针对像素610上方的像素小透镜628的这种定位。子孔径小透镜在子孔径正上方居中。这在图6中例如对于子孔径644上方的子孔径小透镜640示出。
图7A图示了示出本教导的双侧微透镜阵列702的实施例的一侧的透视图700。像素小透镜704形成在基底708的一个表面706上。小透镜704具有与例如VCSEL阵列的间距相匹配的间距，使得在本教导的发射光学系统的实施例中每个像素存在一个透镜。在透视图700中示出了小透镜704的5×5阵列。子孔径小透镜712在基板708的另一表面710上是可见的。
图7B图示了示出图7A的双侧微透镜阵列的另一侧的透视图750。圆752突出显示了形成在衬底的另一表面710上的9×9的子孔径小透镜754阵列。子孔径小透镜754的间距与匹配的激光器阵列(例如VCSEL阵列的子孔径)的间距匹配。每个像素有九个子孔径小透镜。
图8示出了本教导的包括多个发射光学系统802、804的高分辨率LIDAR发射系统800的实施例。本发明的一个特征在于，这里描述的两个微透镜阵列配置使得可以使用分离的发射光学系统，两个发射光学系统对准以使得由一个发射光学系统802生成的总FOV与由第二发射光学系统804生成的总FOV偏移小于一个像素FOV。这种类型的配置可以被称为交织配置。通过交织来自两个发射光学系统802、804的光，与仅使用一个发射光学系统的LIDAR系统相比，包括交织的发射系统800的LIDAR系统的空间分辨率大大提高。
交织将仅在一个目标距离处、在由两个不同发射光学系统中的每一个生成的光斑之间具有均匀间隔(有时称为完美交织)。然而，因为发射光学系统802、804之间的分离可以很小，所以在一些实施例中，分离在10毫米的量级上，并且在一些实施例中，目标距离在10米的量级上，即使不完美的交织也是可接受的并且提高了分辨率。因此，通过使用本教导的发射光学系统交织发射光学系统802、804来提高分辨率在目标距离的范围内是可能的。图8示出了在一个目标距离处的交织光斑阵列806，其图示了来自发射光学系统802的第一光斑阵列808和来自发射光学系统804的第二光斑阵列810的交织。
图9A示出了使用如图3A所示的用于从使用两个常规体透镜的激光器阵列投射光束的系统的单个固态LIDAR发射器的远场图案900。像素光斑尺寸902和像素间距904名义上是相同的。像素光斑尺寸902是完整的像素。所有子孔径光斑由施加以激励该像素和相关子孔径的控制信号照明。因此，不可能使来自仅使用两个块状透镜而不使用微透镜的两个不同发射光学系统的像素光斑906交织。对于该系统，远场中的像素光斑尺寸与像素间距接近。结果，没有空间来交织光斑并通过使用两个光学发射系统来提供改进的分辨率。
图9B示出了使用用于从激光器阵列投射光束的系统的多个交织固态LIDAR发射器的远场图案930，该激光器阵列使用例如图4A所示的一个微透镜阵列和一个常规体透镜。在这种配置中，来自单个激励像素的光斑尺寸被示出为阴影光斑932，其小于像素FOV间距934。对于该系统，远场中的像素光斑尺寸与像素间距的比率接近0.5。因此，在这种情况下，可以交织例如四个发射光学系统。这产生与四个不同的发射光学系统相关联的四个不同的像素光斑932、936、938、940。来自四个不同发射光学系统的光斑的交织在每个维度上使空间分辨率增加两倍。
图9C示出了使用用于从激光器阵列投射光束的发射光学系统的实施例的多个交织固态LIDAR发射器的远场图案950，该激光器阵列使用本教导的两个微透镜阵列和一个传统体透镜。发射光学系统的这个实施例可以是例如图5A中所示的实施例。在这种配置中，单个像素光斑954的像素光斑952的尺寸与像素FOV间距956相比非常小。在一些实施例中，远场中的像素光斑尺寸与像素间距的比率小于0.1。可以使来自至少九个发射光学系统的光斑954交织以增加空间分辨率。不同的阴影用于说明来自不同发射光学系统的像素光斑。
结合图9A-图9C描述的示例示出了由具有3×3像素网格的VCSEL阵列产生的远场图案900、930、950，其中每个像素包括3×3子孔径网格。向用于像素和/或子孔径尺寸和/或形状的不同阵列尺寸和/或形状的缩放是直接的扩展。
因此，利用子孔径微透镜、像素微透镜和体透镜的组合的发射光学系统的一个特征在于充分地改进空间分辨率以允许发射光学系统的交织，其中子孔径微透镜用于聚焦来自VCSEL像素子孔径发射器的光束，像素微透镜用于将子孔径光束重定向到其在重叠点处的焦点，体透镜用于将每个像素中的子孔径光束投影到远场中的不同角度。这种改进部分是因为实现了更小的远场像素光斑尺寸与像素间距的比率。远场中的不同投影角基于特定像素光束相对于体透镜的中心轴或主轴的位置。因此，通过使用具有不同焦距和位置的体透镜，可以实现各种远场投影角度。
等同物
虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是申请人的教导并不旨在局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，申请人的教导包含各种替代物、修改物和等同物，其可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下在其中进行。

Claims (29)

1.一种固态光检测与测距LIDAR发射器，其包括：
a)激光器阵列，包括：
i)第一激光器像素，所述第一激光器像素包括以第一子孔径间隔定位的第一子孔径和第二子孔径，第一子孔径和第二子孔径中的每一个在被激励时生成子孔径光束；以及
ii)第二激光器像素，所述第二激光器像素包括以第二子孔径间隔定位的第一子孔径和第二子孔径，第一子孔径和第二子孔径中的每一个在被激励时生成子孔径光束，所述第一激光器像素和所述第二激光器像素以像素间隔相对于彼此定位；
b)第一微透镜，所述第一微透镜包括以所述第一子孔径间隔定位的第一子孔径小透镜和第二子孔径小透镜并且包括以所述第二子孔径间隔定位的第三子孔径小透镜和第四子孔径小透镜，所述第一微透镜被定位成使得所述第一子孔径小透镜在由所述第一激光器像素的第一子孔径生成的第一子孔径光束的光路中并且被定位成使得所述第三子孔径小透镜在由所述第二激光器像素的第一子孔径生成的第一子孔径光束的光路中，所述第一微透镜被配置成聚焦由所述第一激光器像素的第一子孔径和第二子孔径生成的第一子孔径光束和第二子孔径光束并且聚焦由所述第二激光器像素的第一子孔径和第二子孔径生成的第一子孔径光束和第二子孔径光束；
c)第二微透镜，所述第二微透镜包括以所述像素间距相对于彼此定位的第一像素小透镜和第二像素小透镜，其中所述第一像素小透镜被定位在由所述第一激光器像素的第一子孔径和第二子孔径生成的第一子孔径光束和第二子孔径光束两者的光路中，所述第二微透镜被配置成引导由所述第一激光器像素的第一子孔径和第二子孔径生成的第一子孔径光束和第二子孔径光束，使得它们在平面处重叠；以及
d)透镜，所述透镜被定位在由所述第一激光器像素的第一子孔径和第二子孔径生成的第一子孔径光束和第二子孔径光束的路径中，所述透镜被配置为在远场中以不同的角度投射由所述第一激光器像素的第一子孔径生成的第一子孔径光束和由所述第二激光器像素的第一子孔径生成的第一子孔径光束，以实现所述LIDAR系统的期望空间分辨率。
2.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述激光器阵列包括一维激光器阵列。
3.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述激光器阵列包括二维激光器阵列。
4.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述激光器阵列包括垂直腔表面发射激光器阵列(VCSEL)。
5.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中所述第一微透镜和所述第二微透镜中的至少一个形成于衬底的同一侧上。
6.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜被配置为使得远场像素光斑尺寸与像素间距的比率小于1。
7.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜被配置为使得远场像素光斑尺寸与像素间距的比率小于0.5。
8.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜被配置为使得远场像素光斑尺寸与像素间距的比率小于0.2。
9.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二微透镜阵列被配置为使得所述平面位于与所述第二微透镜相距等于所述第一像素小透镜的焦距的距离处。
10.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二微透镜阵列被配置为使得所述平面位于与所述激光器阵列相距小于2mm的距离处。
11.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述透镜被定位在与所述平面相距等于所述透镜的焦距的距离处。
12.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中所述第一微透镜、第二微透镜和所述透镜中的至少一个经配置以投射所述第一像素的第一子孔径光束和第二子孔径光束，使得所述第一像素的第一子孔径光束和第二子孔径光束在所述远场中重叠，使得所述LIDAR系统实现小于0.2度的分辨率。
13.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一个包括折射光学元件。
14.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一个包括衍射光学元件。
15.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一个包括全息光学元件。
16.如权利要求1所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一微透镜被配置为将所述第一像素的第一子孔径光束和第二子孔径光束聚焦在所述平面处，并且将所述第二像素的第一子孔径光束和第二子孔径光束聚焦在所述平面处。
17.一种固态光检测与测距LIDAR，其包括：
a)第一发射光学系统，包括激光器阵列和微透镜阵列，并且被配置为投射由所述激光器阵列生成的多个光束以在远场处形成包括第一光斑尺寸和第一像素间距的多个第一像素光斑；以及
b)第二发射光学系统，包括激光器阵列和微透镜阵列，并且被配置为投射由所述激光器阵列生成的多个光束以在所述远场处形成包括第二光斑尺寸和第二像素间距的多个第二像素光斑，其中，所述第一发射光学系统和所述第二发射光学系统被定位成使得所述多个第一像素光斑在所述远场处与所述多个第二像素光斑交织，并且其中所述多个第一像素光斑的远场像素光斑尺寸与像素间距的比率小于一。
18.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一发射光学系统的激光器阵列和所述第二发射光学系统的激光器阵列发射相同波长的光。
19.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一发射光学系统的激光器阵列和所述第二发射光学系统的激光器阵列发射不同波长的光。
20.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一像素光斑和所述第二像素光斑是相同尺寸的。
21.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一像素光斑和所述第二像素光斑是不同尺寸的。
22.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述微透镜阵列的间距与所述激光器阵列的间距相同。
23.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述微透镜阵列的间距与所述激光器阵列的间距不同。
24.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第一发射光学系统还包括第二微透镜，所述第二微透镜在由所述激光器阵列生成的所述多个光束的光路中被定位在所述激光器阵列与所述微透镜阵列之间。
25.如权利要求24所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二微透镜的间距等于所述激光器阵列中的子孔径阵列的间距。
26.如权利要求24所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二微透镜与所述第一微透镜在相同衬底上。
27.如权利要求17所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二发射光学系统还包括第二微透镜，所述第二微透镜在由所述激光器阵列生成的所述多个光束的光路中被定位在所述激光器阵列与所述微透镜阵列之间。
28.如权利要求27所述的固态LIDAR发射器，其中，所述第二微透镜的间距等于所述激光器阵列中的子孔径阵列的间距。
29.如权利要求27所述的固态LIDAR发射器，其中所述第二微透镜与所述第一微透镜在相同衬底上。
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