CN114641907A - 激光雷达发射器、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光雷达发射器系统，包括激光能量源阵列，每个激光能量源包括对应的光电检测器。激光能量源被配置为朝向激光雷达目标发射激光能量。每个相应的光电检测器被配置为检测由阵列的对应能量源发射的激光能量。

Description

激光雷达发射器、系统和方法
技术领域
本公开涉及激光雷达(LIDAR)系统和方法，具体地但非排他地，涉及激光雷达发射器系统、激光雷达系统和用于发射激光雷达信号的方法。
背景技术
激光雷达是一种测量到目标的距离的技术。用激光照射目标，并用传感器检测反射的激光。进行飞行时间测量以建立激光雷达系统与目标上的不同点之间的距离，以建立目标的三维表示。
在图1a中示出了已知的激光雷达发射器系统100的示例。已知的激光雷达发射器系统100包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列101，其通过透镜或盖玻璃102发射激光能量。发射的激光能量的一部分从透镜或盖玻璃102的内表面反射，或者被棱镜、反射镜或具有布置在光束路径中的移动部件和/或机械马达的其他光学组件转向。这部分转向的激光能量由外部检测器103接收。术语外部在本文中用于表示VCSEL阵列101的外部。外部检测器103通过基于检测到的光束生成输出信号电压或电流来确定VCSEL阵列的输出光束的强度。如果外部检测器103的输出信号电压或电流改变(例如，下降)，则可能指示VCSEL阵列未正常运行。
图1a的VCSEL阵列101可以包括图1b所示类型的多个已知VCSEL。在图1b的VCSEL104中，多个分布式布拉格反射器(DBR)层105位于有源区106的任一侧，例如包括一个或多个量子阱，用于激光能量生成和DBR层105之间的谐振。这些DBR层105和有源区106可以布置在基板107上，基板107又可以布置在印刷电路板108(PCB)上。图1b的VCSEL 104是顶部发射VCSEL，然而底部发射VCSEL也是已知的。
与使用图1b所示类型的VCSEL的图1a所示类型的已知激光雷达发射器系统100相关联的一些问题是：
(i)来自外部检测器103的输出信号电压或电流的波动可能非常高，使得难以确定激光雷达发射器故障的原因。例如，波动的输出信号可能由以下中的任何一个引起：棱镜、反射镜或其他光学组件变得未对准(例如由于移动组件或马达故障)，各个VCSEL故障和/或由于老化效应而具有降低的效率。仅基于外部检测器103的输出信号电流或电压来确定这些中的哪一个是发射器故障的原因是非常具有挑战性的。
(ii)来自外部检测器103的输出信号电压或电流不能确定输出光束中热点或暗点的存在。术语热点和暗点在本文中用于指输出光束的分别具有比光束的其余部分更高或更低的功率的部分。
(iii)来自外部检测器103的输出信号电压或电流不能区分阵列的各个发射器的输出。
本公开的目的是提供解决上述一个或多个问题或至少提供有用的替代方案的激光雷达发射器系统、激光雷达系统和用于发射激光雷达信号的方法。
发明内容
一般而言，本公开提出通过将光电检测器与激光雷达发射器系统的激光能量源阵列的每个激光能量源一起布置来克服上述问题。这种布置提供了优于已知激光雷达发射器系统的以下优点中的至少一个或多个：
(i)每个激光能量源布置有光电检测器，没有棱镜、反射镜或其他光学组件或移动部件。因此，来自光电检测器的输出信号电压或电流的任何变化可以立即归因于激光能量源而不是阵列的任何其他组件。例如，当检测到一个或多个光电检测器输出的下降时，其原因可以直接归因于该对应的激光能量源的故障或效率降低，而不是棱镜、反射镜或发射器的其他组件的问题。
(ii)光电检测器的输出信号电压或电流一起提供用于监测阵列的高得多的分辨率或粒度，例如高达各个发射器分辨率。这允许例如准确且高效地检测能量输出中的热(即，高强度)或暗(即，低强度)点。如果需要，通过以相同的、更高分辨率控制阵列的对应一个或多个激光能量源，也可以比已知的发射器系统更有效地补偿检测到的热点或暗点。这可能特别有用的场景是当在雾或雾中能见度低时需要激光雷达发射器系统输出高功率光束的情况。在这种场景下，较高功率光束中的任何意外热点可能导致眼睛安全的风险，因此监测输出光束是重要的。利用本文公开的激光雷达发射器系统，可以通过去激活或减少对热点有贡献的激光能量源的输出来立即补偿热点。因此，将光电检测器与阵列的每个激光能量源一起布置提供了在较高功率操作下保证眼睛安全和功能安全的手段。
(iii)可以更容易地确定各个发射器和/或发射器的行或列的故障或失效，因为来自各个光电检测器或其行或列的输出信号电压或电流的任何变化可以直接指示对应的发射器和/或发射器的行或列发生故障和/或不按预期工作。
(iv)通过将相应的光电检测器集成到激光能量源中，可以检测和补偿在阵列中传播的可能干扰激光雷达操作的任何杂散能量。举例来说，如果可以在发射器处以发射器级分辨率测量内部反射和/或其它噪声，那么更广泛种类的降噪算法变得可用在对应激光雷达接收器的输出上。因此，光电检测器提供了在具有外部检测器的发射器系统中不可用的强大的内置诊断工具。
(v)在激光雷达系统中的空间非常宝贵的情况下，将相应的光电检测器集成到激光能量源中减少了对棱镜、光学组件、马达和/或其他移动部件的依赖，所有这些都占用了宝贵的空间。
根据本公开的一个方面，提供了一种激光雷达发射器系统，包括：激光能量源的阵列，每个激光能量源包括对应的光电检测器，其中激光能量源被配置为朝向激光雷达目标发射激光能量，并且其中每个相应的光电检测器被配置为检测由阵列的对应能量源发射的激光能量。
可选地，激光能量源的阵列包括布置在晶圆上的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列。
可选地，每个相应的光电检测器布置在相应的VCSEL之中、相应的VCSEL之上或相应的VCSEL之下。
可选地，每个VCSEL包括谐振器，该谐振器包括在第一端处的第一反射器和在与第一端相对的第二端处的第二反射器，朝向激光雷达目标发射的激光能量是从第一端发射的，并且由光电检测器检测到的激光能量是从第二端发射的。
可选地，第一反射器和第二反射器包括分布式布拉格反射器。
可选地，每个相应的光电检测器包括布置在对应的第二反射器之中、对应的第二反射器之上或对应的第二反射器之下的光电二极管。
可选地，激光雷达发射器系统包括处理器，该处理器被配置为：从光电检测器的输出计算激光能量源阵列的二维能量强度分布；以及从二维能量强度分布确定一个或多个能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源的存在。
可选地，处理器被配置为：通过激活、去激活、增加和/或减少一个或多个激光能量源的能量输出来控制激光能量源中的一个或多个以补偿所述能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源。
可选地，每个光电检测器被配置为检测从激光能量源的阵列的一个或多个其他激光能量源发射的激光能量。
可选地，激光能量源包括边缘发射器、LED和/或集成激光能量源。
根据本公开的第二方面，提供了一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括：上述激光雷达发射器系统；以及激光雷达接收器系统。
可选地，激光雷达系统被配置为从激光雷达接收器系统接收信息，将所述信息与光电检测器的输出组合，并且通过以下方式控制激光能量源中的一个或多个：激活、去激活、增加和/或减少激光能量源中的一个或多个的能量输出。
可选地，该信息包括交通工具的驾驶条件信息和/或周围或环境照明信息。
根据本公开的第三方面，提供了一种用于朝向激光雷达目标发射激光能量的方法，该方法包括：从激光能量源的阵列发射激光能量，每个激光能量源包括光电检测器，利用每个相应的光电检测器，检测由相应的激光能量源发射的激光能量；从光电检测器的相应输出计算激光能量源的阵列的二维能量强度分布；从二维能量强度分布确定一个或多个能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源的存在；以及通过激活、去激活、增加和/或减少一个或多个激光能量源的能量输出来控制激光能量源中的一个或多个以补偿能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源。
可选地，激光能量源的阵列包括布置在晶圆上的VCSEL的阵列。
可选地，每个相应的光电检测器包括布置在相应的VCSEL之中、相应的VCSEL之上或相应的VCSEL之下的光电检测器。
因此，本公开的实施例提供了上述优点。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的一些实施例，附图中：
图1a说明性地示出了已知的激光雷达发射器。
图1b说明性地示出了已知的VCSEL。
图2说明性地示出了根据本公开的激光雷达发射器系统。
图3a说明性地示出了根据本公开的VCSEL。
图3b说明性地示出了根据本公开的VCSEL。
图4说明性地示出了根据本公开的激光能量源的阵列和输出能量强度分布。
图5说明性地示出了根据本公开的激光雷达系统。
图6示出了示出根据本公开的方法步骤的流程图。
具体实施方式
一般而言，本公开提供了一种激光雷达发射器系统，其包括激光能量源的阵列，每个激光能量源包括对应的光电检测器。光电检测器一起提供了以单独的发射器分辨率测量激光能量输出的手段，因此与已知的激光雷达发射器系统相比，提供了更准确地测量和控制阵列的输出的手段。
在附图中给出了由本公开提供的解决方案的一些示例。
图2示出了包括激光能量源的阵列201的激光雷达发射器系统200的图示。阵列201的每个激光能量源包括光电检测器202。每个光电检测器202被配置为检测由相应的激光能量源发射的激光能量，从而提供上述的发射器级测量和控制分辨率。
虽然VCSEL的阵列在本文中被描述为阵列激光能量源，但是设想本公开同样适用于适合与激光雷达发射器系统一起使用的任何激光能量源的阵列，诸如边缘发射器、集成激光源、LED和/或其单独或与VCSEL一起的任何组合的阵列。
如上所述，激光能量源的阵列201可以包括VCSEL的阵列。VCSEL的阵列可以布置在晶圆上，并且可以在外延工艺中制造或使用晶圆键合来集成。
图3a和3b示出了可以在图2的激光雷达发射器200中使用以提供激光能量源的阵列201的不同VCSEL结构300a、300b。在图3a和3b的示例VCSEL结构300a、300b中，多个分布式布拉格反射器(DBR)层301布置在有源区302的任一侧上，以提供用于激光能量生成307的谐振器。因此，可以说谐振器包括在谐振器的第一端处的第一反射器和在谐振器的与第一端相对的第二端处的第二反射器。DBR层301的反射率和相应的效率被配置为使得由谐振器生成的激光能量的第一部分308从第一端朝向激光雷达目标发射，并且由谐振器生成的激光能量的第二较小部分309从第二端发射并由光电检测器304检测。例如，第一反射器可以被配置为对激光辐射波长具有高透射率的输出耦合器，并且第二反射器可以类似地被配置为输出耦合器，但是其可以对激光辐射波长具有较小的透射率。以这种方式，所生成的激光能量的仅一小部分损失到光电检测器，并且朝向激光雷达目标发射的输出激光能量保持足够高以适合与激光雷达系统一起使用。通常，通过第二反射器发射的所生成的激光能量光的部分309由对应的光电检测器304的灵敏度确定。例如，光电检测器304的灵敏度越高，第二反射器需要发射以供光电检测器304检测的激光能量的部分309越小。相反，如果使用具有较低灵敏度的光电检测器304(例如，因为它更便宜)，则可能需要通过第二反射器发射较大的部分309以供光电检测器304检测。
光电检测器304可以布置在VCSEL的一个或多个其他层之中、之上或之下。图3a所示的示例示出了顶部发射VCSEL，其中待由光电检测器304检测的输出激光能量309通过其上布置有DBR层301和有源区302的晶圆基板303a发射。相比之下，图3b的示例示出了底部发射VCSEL，其中用作激光雷达信号的输出激光能量308通过晶圆基板303b发射。应当理解，其他配置和层顺序落入所附权利要求的范围内，并且本文描述的层顺序是示例性的。
所有上述层可以进一步布置在可选地通过一个或多个读出部306连接的印刷电路板(PCB)305上。读出部306可以包括一个或多个电触点，以提供到一个或多个处理器的接口，该一个或多个处理器被配置为接收光电检测器输出信号和/或控制通过电触点施加的VCSEL驱动电压或电流信号。由此提供的接口可以符合一个或多个已知的国际标准，并且可以是例如移动工业处理器接口(MIPI)接口。通常，阵列中的VCSEL在列或行级别上是可寻址的(即，可控的)，然而设想它们也可以单独地或按区域寻址。
在图3a和3b的两个示例中，印刷电路板305和读出部306布置在VCSEL的光电检测器侧上，以减少对复杂电路布置的需要。可替换地，在一些示例中，光电检测器304可以位于DBR层上方、DBR层中或VCSEL的有源区中。在这些情况下，光电检测器304和读出部306被配置为不干扰激光能量生成，并且可能需要附加的电路元件和触点来将光电检测器304输出信号路由到一个或多个处理器。
每个光电检测器304可以包括光电二极管，诸如pin二极管、单光子雪崩二极管、雪崩二极管或光电晶体管。
上述VCSEL层和光电检测器可以作为单个晶圆制造工艺的一部分形成和集成，从而简化了激光雷达发射器的制造要求，因为不需要额外的外部组件。例如，VCSEL层和光电检测器可以外延生长，或者光电检测器可以使用晶圆键合集成到VCSEL中。
上述图2的阵列201可以由多个上述VCSEL 300a、300b形成。如上所述，每个光电检测器的输出提供了以发射器级分辨率监测和控制阵列201的输出的手段，而不需要诸如棱镜、反射镜的外部组件和/或诸如机械马达和/或外部传感器的其他组件。
图4说明性地示出了激光能量源401的阵列400，例如上面结合图3a和3b描述的类型的VCSEL 300a、300b，用于与诸如图2所示的激光雷达发射器系统200一起使用。虽然图4中的阵列400被示出为具有特定图案和数量的VCSEL，但是设想可以基于其中将使用阵列400的激光雷达发射器系统的要求来使用任何合适的图案和数量的VCSEL。
在一些情况下，由阵列400输出的光束可以具有由例如一个或多个故障激光能量源401引起的一个或多个能量强度热点和/或能量强度暗点。在图4的说明性示例中。阵列400的第一区域402中的激光能量源401正常运行，并且它们对输出光束的贡献403由阵列400中的对应光电检测器测量为符合预期。然而，阵列400的第二区域403中的激光能量源401发生故障并且具有比预期高得多的输出强度405，从而导致输出光束中的能量强度热点。阵列400的第三区域404中的激光能量源401也发生故障并且不输出任何能量，从而导致输出激光束中的能量强度暗点。
与具有外部检测器并且不可能区分发生故障和/或正常运行的各个激光能量源的已知激光雷达发射器系统的情况不同，每个激光能量源的光电检测器的存在提供了诊断工具，以确定例如第一区域402中的激光能量源401正常运行，但是第二区域403和第三区域404中的激光能量源401不正常运行。如图4的示例中所示，可以对单独的激光能量源级分辨率、行/列级分辨率和/或区域级分辨率进行该确定。
图4还示出了从上述三个区域402、403、404中的激光能量源的光电检测器的输出信号计算的阵列400的示例性能量强度分布406。由光电检测器输出的信号可以由处理器通过诸如上述MIPI接口的接口接收。处理器被配置为从输出信号计算能量强度分布。
在图4的示例中，来自阵列400的第一区域402的输出能量强度对应于分布中的第一平台(plateau)407，来自阵列400的第二区域403的输出能量强度(即热点)对应于分布中的峰408，并且来自阵列400的第三区域404的输出能量强度(即暗点)对应于分布中的第二平台409，该第二平台409具有比第一平台407低得多的强度。
根据图4的示例能量强度分布，可以确定第一区域402中的激光能量源正常运行，但是第二区域403和第三区域404中的激光能量源不正常运行。在没有任何外部传感器、棱镜、反射镜或将输出光束的一部分引导到外部传感器的其他组件的情况下进行该确定。为了补偿第二区域403和第三区域404中的不正常运行的激光能量源，可以通过例如改变施加到这些区域中的激光能量源的驱动电压或电流信号来控制这些区域中的激光能量源。
例如，第二区域403中的产生热点的激光能量源可以被控制以减少输出或者被去激活以补偿或消除热点。这可以通过减小驱动电流或电压来实现。类似地，可以控制产生暗点的第三区域404中的激光能量源以增加输出(和/或如果引起暗点的发射器失效并且它们的输出不能增加，则可以增加相邻行、列、区域中或个体级别的输出激光能量源)。这可以通过增加驱动电流或电压来实现。以这种方式，可以准确地补偿输出光束中的热点和暗点和/或故障发射器，而不需要任何外部传感器或其他组件。
虽然图4的示例中所示的能量强度分布406示出了输出能量强度与阵列的行数的关系，但是还设想可以计算输出能量强度的分布与列数和/或单独发射器数的关系，以提供阵列的输出能量强度的完整二维分布或图。可以如上所述使用二维分布来控制行、列或各个发射器的输出，以准确且高效地控制输出激光雷达信号。以这种方式，显著改善了较高功率光束的眼睛安全性和功能安全性，并且使任何风险(例如，由于光束中的热点)最小化。
图5说明性地示出了激光雷达系统500，其包括激光雷达发射器系统501(诸如上面结合图2-4描述的激光雷达发射器系统501)和激光雷达接收器系统502。激光雷达发射器系统501被配置为朝向激光雷达目标504发射激光能量503。反射的激光能量505朝向激光雷达接收器系统502传播，在激光雷达接收器系统502处，反射的激光能量505被检测并用于例如使用飞行时间计算来计算从激光雷达系统500到目标的距离。
激光雷达系统500可以作为闪光激光雷达操作，其中激光雷达发射器系统501发射激光脉冲(例如亚纳秒光脉冲)，或者作为扫描激光雷达操作，其中激光雷达发射器系统501发射连续的定向光束。
激光雷达接收器系统502可以包括被配置为检测从激光雷达目标反射的激光能量的多个光电检测器，例如光电二极管，诸如pin二极管、单光子雪崩二极管、雪崩二极管或光电晶体管。激光雷达接收器系统502的每个光电检测器充当通常对应于激光雷达发射器系统501的阵列中的一个发射器的检测像素。一对一像素-发射器对应关系可用于计算飞行时间直方图，该飞行时间直方图可用于检测和补偿来自例如激光雷达系统500的可选盖玻璃507的任何内部反射506，或者阵列的激光能量源与多个不同检测像素之间的任何串扰。
通常，由激光雷达接收器系统502检测到的信号展示一些波动，该波动可由(例如)上文所描述的热点、暗点和/或故障发射器或由噪声、内部反射、串扰和/或其它干扰引起。在已知的激光雷达系统中，难以确定激光雷达接收器系统像素处的波动何时是由于激光雷达发射器系统中的噪声、串扰或其它干扰、故障或失效发射器。因此，在已知的系统中，可能难以确定需要采取什么动作来改善系统的增益。相比之下，本文提供的激光雷达系统500可以通过将激光雷达发射器系统501的每个激光能量源中的光电检测器的输出信号与从激光雷达接收器系统502接收的信息组合来解决该问题，以提供自动增益控制。
举例来说，来自激光雷达接收器系统502的指示检测像素具有弱检测信号的信息可与来自激光雷达发射器系统501的光电检测器的指示输出光束具有对应于该检测像素的暗点的信息组合。因此，可以增加到一个或多个激光能量源的驱动电压或电流以消除暗点，从而改善检测像素处的检测信号。
相反地，来自激光雷达接收器系统502的指示一个或多个检测像素展示极强信号的信息可与来自激光雷达发射器系统501的光电检测器的指示输出光束中存在正引起显著串扰的热点的信息组合。因此，可以减小到一个或多个激光能量源的驱动电压或电流以消除热点，从而减少检测像素处的串扰效应。
通过将从激光雷达接收器系统502接收的信息与激光雷达发射器系统501的光电检测器的输出组合而提供的自动增益控制的上述示例不旨在是限制性的，并且应当理解，接收器信息与光源光电检测器输出组合的其他场景和组合落入所附权利要求的范围内。
例如，从激光雷达接收器系统502接收的信息可以包括其上安装有激光雷达系统500的交通工具的驾驶条件信息和/或周围或环境照明信息。因此，如果驾驶条件差(例如，因为可见度由于雾、薄雾或不利的周围或环境照明而低)，则该信息可以用于增加激光雷达发射器系统501的输出光束的功率以进行补偿。以这种方式，可以动态地控制输出光束的功率。
图6示出了示出根据本公开的方法步骤的流程图。一般而言，该方法涉及朝向激光雷达目标发射激光能量，并且可以与上述激光雷达发射器系统和激光雷达系统结合使用。方法600包括从激光能量源的阵列发射601激光能量，每个激光能量源包括光电检测器。能量源的阵列可以可选地包括如本文所述的VCSEL。光电检测器可以可选地布置在相应的VCSEL之中、之上或之下。利用相应的光电检测器检测602由每个激光能量源发射的激光能量。从光电检测器的相应输出计算603激光能量源的阵列的二维能量强度分布。从二维能量强度分布确定604一个或多个能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源的存在。控制605一个或多个激光能量源以通过以下方式补偿所述能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源：激活、去激活、增加和/或减少激光能量源中一个或多个的能量输出。如上面关于图2-5所述，该方法确保较高功率光束的眼睛安全和功能安全性得到显著改善，并且使任何风险(例如，由于光束中的热点)最小化，而不需要外部传感器、棱镜、反射镜或其他组件。
本公开的实施例可以在许多不同的应用中采用，包括例如用于在机动车辆或无人机领域以及其他领域和行业中的3D面部识别、接近度检测、存在检测、对象检测、距离测量和/或碰撞避免。
附图标记列表
100 已知的激光雷达发射器系统
101 VCSEL阵列
102 透镜或盖玻璃
103 外部检测器
104 VCSEL
105 分布式布拉格反射器层(DBR)
106 有源区
107 基板
108 印刷电路板(PCB)
200 激光雷达发射器系统
201 激光能量源的阵列
202 光电检测器
300a VCSEL结构
300b VCSEL结构
301 分布式布拉格反射器层(DBR)
302 有源区
303a 基板
303b 基板
304 光电检测器
305 印刷电路板(PCB)
306 读出部
307 激光能量生成
308 朝向激光雷达目标发射的激光能量的部分
309 朝向光电检测器发射的激光能量的部分
400 激光能量源的阵列
401 激光能量源
402 第一区域
403 第二区域
404 第三区域
405 高输出强度
406 能量强度分布
407 第一平台
408 峰
409 第二平台
500 激光雷达系统
501 激光雷达发射器系统
502 激光雷达接收器系统
503 朝向激光雷达目标发射的激光能量
504 激光雷达目标
505 反射的激光能量
506 内部反射
507 盖玻璃
600 方法
601 发射
602 检测
603 计算
604 确定
605 控制
本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“沿着”、“侧面”等的位置术语是参考诸如附图中所示的概念性图示而做出的。使用这些术语是为了便于参考，但不旨在具有限制性质。因此，这些术语应被理解为是指当处于如附图中所示的取向时的对象。
尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以结合在任何实施例中，无论是单独地还是与本文公开或示出的任何其他特征以任何适当的组合。

Claims (16)

1.一种激光雷达发射器系统，包括：
激光能量源的阵列，每个激光能量源包括对应的光电检测器，
其中所述激光能量源被配置为朝向激光雷达目标发射激光能量，以及
其中每个相应的光电检测器被配置为检测由所述阵列的对应能量源发射的激光能量。
2.根据权利要求1所述的激光雷达发射器系统，其中激光能量源的所述阵列包括布置在晶圆上的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列。
3.根据权利要求2所述的激光雷达发射器系统，其中每个相应的光电检测器布置在相应的VCSEL之中、相应的VCSEL之上或相应的VCSEL之下。
4.根据权利要求3所述的激光雷达发射器系统，
其中每个VCSEL包括谐振器，所述谐振器包括在第一端处的第一反射器和在与所述第一端相对的第二端处的第二反射器，
其中朝向所述激光雷达目标发射的所述激光能量是从所述第一端发射的，并且其中由所述光电检测器检测到的所述激光能量是从所述第二端发射的。
5.根据权利要求4所述的激光雷达发射器系统，其中所述第一反射器和所述第二反射器包括分布式布拉格反射器。
6.根据权利要求5所述的激光雷达发射器，其中每个相应的光电检测器包括布置在对应的第二反射器之中、对应的第二反射器之上或对应的第二反射器之下的光电二极管。
7.根据任一前述权利要求所述的激光雷达发射器系统，包括处理器，所述处理器被配置为：
从所述光电检测器的输出计算激光能量源的所述阵列的二维能量强度分布；以及
从所述二维能量强度分布确定一个或多个能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源的存在。
8.根据权利要求7所述的激光雷达发射器系统，其中所述处理器被配置为：
通过以下方式控制所述激光能量源中的一个或多个以补偿所述能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源：激活、去激活、增加和/或减少所述激光能量源中的一个或多个的能量输出。
9.根据任一前述权利要求所述的激光雷达发射器系统，其中每个光电检测器被配置为检测从激光能量源的所述阵列的一个或多个其他激光能量源发射的激光能量。
10.根据权利要求1所述的激光雷达发射器系统，其中所述激光能量源包括边缘发射器、LED和/或集成激光能量源。
11.一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括：
根据权利要求1-10中任一项所述的激光雷达发射器系统；以及
激光雷达接收器系统。
12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中所述激光雷达系统被配置为从所述激光雷达接收器系统接收信息，将所述信息与所述光电检测器的输出组合，并且通过以下方式控制所述激光能量源中的一个或多个：激活、去激活、增加和/或减少所述激光能量源中的一个或多个的能量输出。
13.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中所述信息包括交通工具的驾驶条件信息和/或周围或环境照明信息。
14.一种用于朝向激光雷达目标发射激光能量的方法，所述方法包括：
从激光能量源的阵列发射激光能量，每个激光能量源包括光电检测器；
利用每个相应的光电检测器，检测由相应的激光能量源发射的激光能量；
从所述光电检测器的相应输出计算激光能量源的所述阵列的二维能量强度分布；
从所述二维能量强度分布确定一个或多个能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源的存在；以及
通过以下方式控制所述激光能量源中的一个或多个以补偿所述能量强度热点、能量强度暗点和/或故障激光能量源：激活、去激活、增加和/或减少所述激光能量源中的一个或多个的能量输出。
15.根据权利要求13所述的方法，其中激光能量源的所述阵列包括布置在晶圆上的VCSEL的阵列。
16.根据权利要求14所述的方法，其中每个相应的光电检测器包括布置在相应的VCSEL之中、相应的VCSEL之上或相应的VCSEL之下的光电检测器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116125479A (zh) * 2022-12-28 2023-05-16 北京万集科技股份有限公司 相控阵激光雷达及激光雷达的故障检测方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190086513A1 (en) * 2017-09-21 2019-03-21 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for frame rate boosting in lidar array
EP3508880A1 (en) * 2018-01-05 2019-07-10 Koninklijke Philips N.V. Laser arrangement with optical filter
EP3769057A4 (en) * 2018-03-20 2022-01-12 Vixar Inc. EYE SAFE OPTICAL MODULES

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116125479A (zh) * 2022-12-28 2023-05-16 北京万集科技股份有限公司 相控阵激光雷达及激光雷达的故障检测方法
CN116125479B (zh) * 2022-12-28 2024-05-17 北京集光智研科技有限公司 相控阵激光雷达及激光雷达的故障检测方法

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